Расчет диаметра трубы для отопления с принудительной циркуляцией: какой диаметр выбрать, формула расчета

Расчёт диаметра трубы отопления. | Школа ремонта. Ремонт своими руками

В системе водяного отопления особенно часто у многих встает вопрос: Как вычислить диаметр трубопровода, по которому будет бежать теплоноситель (вода).Данный материал предназначен понять, что такое диаметр, расход и скорость течения. И какие связи между ними. В других материалах будет подробный расчет диаметра для отопления.Для того чтобы вычислить диаметр необходимо знать:

1. Расход теплоносителя (воды) в трубе.
2. Сопротивление движению теплоносителя (воды) в трубе определенной длины.

Вот необходимые формулы, которые нужно знать:

• S-Площадь сечения м2 внутреннего просвета трубы
• π-3,14-константа — отношение длины окружности к ее диаметру.
• r-Радиус окружности, равный половине диаметра, м
• Q-расход воды м3/с
• D-Внутренний диаметр трубы, м
• V-скорость течения теплоносителя, м/с

 Сопротивление движению теплоносителя.Любой движущийся внутри трубы теплоноситель, стремиться к тому, чтобы прекратить свое движение. Та сила, которая приложена к тому, чтобы остановить движение теплоносителя — является силой сопротивления.Это сопротивление, называют — потерей напора. То есть движущийся теплоноситель по трубе определенной длины теряет напор.Напор измеряется в метрах или в давлениях (Па). Для удобства в расчетах необходимо использовать метры.Извиняйте, но я привык указывать потерю напора в метрах. 10 метров водного столба создают 0,1 МПа.Для того, чтобы глубже понять смысл данного материла, рекомендую проследить за решением задачи.Задача 1.В трубе с внутренним диаметром 12 мм течет вода, со скоростью 1м/с. Найти расход.Решение: Необходимо воспользоваться вышеуказанными формулами:

1. Находим сечение
2. Находим расход

 Дано: S=3.14•0,0122/4=0,000113 м2Q=0,000113•1=0,000113 м3/с = 0,4 м3/ч.Ответ: 0,4 м3/ч.Задача 2.  Имеется насос, создающий постоянный расход 40 литров в минуту. К насосу подключена труба протяженностью 1 метр. Найти внутренний диаметр трубы при скорости движения воды 6 м/с.Конечно, в реальности насосы не выдают постоянный расход и не выдают бесконечно большой напор. Поэтому по условию задачи мы условно приняли, что насос качает строго 40 литров в минуту, а напор насоса бесконечно большой. Ниже я поясню все нюансы подбора диаметра.Решение.Дано:Q=40л/мин=0,000666666 м3/сИз выше указанных формул получил такую формулу.  Ответ: 12ммК сожалению, по такой формуле находить диаметр трубы не разумно и вот почему!Каждый насос имеет вот такую расходно-сопротивляемую характеристику:  Это означает, что наш расход в конце трубы будет зависеть от потери напора, которое создается самой трубой.Чем длиннее труба, тем больше потеря напора.Чем меньше диаметр, тем больше потеря напора.Чем выше скорость теплоносителя в трубе, тем больше потеря напора.Углы, повороты, тройники, заужения и расширение трубы, тоже увеличивают потерю напора.Такой характеристикой обладают на самом деле не насосы, а жидкости, которые подчиняются гидравлическим законам. Эти законы распространяются не только на насосы, но и на все трубы по которым течет жидкость. Даже если вода будет истекать из наполненного бака, там тоже будет присутствовать такая вот расходно-сопротивляемая характеристика.Более детально потеря напора по длине трубопровода рассматривается в этой статье:Потеря напора по длине трубопровода.А теперь рассмотрим задачу из реального примера.Хочу сразу Вас уведомить, что для следующей задачи были использованы эти материалы:Профессиональный расчет диаметра трубы для водоснабжения.Задача 2:  Стальная (железная) труба проложена длиной 376 метров с внутренним диаметром 100 мм, по длине трубы имеются 21 отводов (угловых поворотов 90°С). Труба проложена с перепадом 17м. То есть труба относительно горизонта идет вверх на высоту 17 метров. Характеристики насоса: Максимальный напор 50 метров (0,5МПа), максимальный расход 90м3/ч. Температура воды 16°С. Найти максимально возможный расход в конце трубы.Дано:

• D=100 мм = 0,1м
• L=376м
• Геометрическая высота=17м
• Отводов 21 шт
• Напор насоса= 0,5 МПа (50 метров водного столба)
• Максимальный расход=90м3/ч
• Температура воды 16°С.
• Труба стальная железная

Найти максимальный расход = ?Решение:Для решения необходимо знать график насосов: Зависимость расхода от напора.Я выбрал визуально похожий график всех насосов, от реального может отличаться на 10-20%. Для более точного расчета необходим график насоса, который указан в паспорте насоса. В нашем случае будет такой график:  Смотрите, прерывистой линией по горизонту обозначил 17 метров и на пересечение по кривой получаю максимально возможный расход: Qmax.По графику я могу смело утверждать, что на перепаде высоты, мы теряем примерно: 14 м3/час. (90-Qmax=14 м3/ч).Не существует прямой формулы, которая дает прямой расчет нахождения расхода, а если и существует, то она имеет ступенчатый характер и некоторую логику, которая способна Вас запутать — окончательно.Ступенчатый расчет получается потому, что в формуле существует квадратичная особенность потерь напора в динамике (движение).Поэтому решаем задачу ступенчато.Поскольку мы имеем интервал расходов от 0 до 76 м3/час, то мне хочется проверить потерю напора при расходе равным: 45 м3/ч. Находим скорость движения воды Q=45 м3/ч = 0,0125 м3/сек. V = (4•0,0125)/(3,14•0,1•0,1)=1,59 м/с Находим число рейнольдса  ν=1,16•10-6=0,00000116. Взято из таблици. Для воды при температуре 16°С.Re=(V•D)/ν=(1,59•0,1)/0,00000116=137069Δэ=0,1мм=0,0001м. Взято из таблицы, для стальной (железной) трубы.Далее сверяемся по таблице, где находим формулу по нахождению коэффициента гидравлического трения.У меня попадает на вторую область при условии10•D/Δэ    λ=0,11( Δэ/D + 68/Re )0.25=0,11•( 0,0001/0,1 + 68/137069)0,25=0,0216Далее завершаем формулой:h=λ•(L•V2)/(D•2•g)= 0,0216•(376•1,59•1,59)/(0,1•2•9,81)=10,46 м.Как видите, потеря составляет 10 метров. Далее определяем Q1, смотри график:   Теперь делаем оригинальный расчет при расходе равный 64м3/часQ=64 м3/ч = 0,018 м3/сек.V = (4•0,018)/(3,14•0,1•0,1)=2,29 м/сRe=(V•D)/ν=(2,29•0,1)/0,00000116=197414λ=0,11( Δэ/D + 68/Re )0.25=0,11•( 0,0001/0,1 + 68/197414)0,25=0,021h=λ•(L•V2)/(D•2•g)= 0,021•(376•2,29 •2,29)/(0,1•2•9,81)=21,1 м. Отмечаем на графике:Qmax находится на пересечении кривой между Q1 и Q2 (Ровно середина кривой).   Ответ: Максимальный расход равен 54 м3/ч. Но это мы решили без сопротивления на поворотах.Для проверки проверим:Q=54 м3/ч = 0,015 м3/сек.V = (4•0,015)/(3,14•0,1•0,1)=1,91 м/сRe=(V•D)/ν=(1,91•0,1)/0,00000116=164655λ=0,11( Δэ/D + 68/Re )0.25=0,11•( 0,0001/0,1 + 68/164655)0,25=0,0213h=λ•(L•V2)/(D•2•g)= 0,0213•(376•1,91•1,91)/(0,1•2•9,81)=14,89 м.Итог: Мы попали на Нпот=14,89=15м.А теперь посчитаем сопротивление на поворотах:Формула по нахождению напора на местном гидравлическом сопротивление: 

• h-потеря напора здесь она измеряется в метрах.
• ζ-Это коэффициент сопротивления. Для колена он равен примерно одному, если диаметр меньше 30мм.
• V-скорость потока жидкости. Измеряется [Метр/секунда].
• g-ускорение свободного падения равен 9,81 м/с2

ζ-Это коэффициент сопротивления. Для колена он равен примерно одному, если диаметр меньше 30мм. Для больших диаметров он уменьшается. Это связано с тем, что влияние скорости движения воды по отношению к повороту уменьшается.Смотрел в разных книгах по местным сопротивлениям для поворота трубы и отводов. И приходил часто к расчетам, что один сильный резкий поворот равен коэффициенту единице. Резким поворотом считается, если радиус поворота по значению не превышает диаметр. Если радиус превышает диаметр в 2-3 раза, то значение коэффициента значительно уменьшается.Возьмем ζ = 1.Скорость 1,91 м/сh=ζ•(V2)/2•9,81=(1•1,912)/( 2•9,81)=0,18 м.Это значение умножаем на количество отводов и получаем 0,18•21=3,78 м.Ответ: при скорости движения 1,91 м/с, получаем потерю напора 3,78 метров.Давайте теперь решим целиком задачку с отводами.При расходе 45 м3/час получили потерю напора по длине: 10,46 м. Смотри выше.При этой скорости (2,29 м/с) находим сопротивление на поворотах:h=ζ•(V2)/2•9,81=(1•2,292)/(2•9,81)=0,27 м. умножаем на 21 = 5,67 м. Складываем потери напора: 10,46+5,67=16,13м.Отмечаем на графике:   Решаем тоже самое только для расхода в 55 м3/ч Q=55 м3/ч = 0,015 м3/сек. V = (4•0,015)/(3,14•0,1•0,1)=1,91 м/с Re=(V*D)/ν=(1,91 •0,1)/0,00000116=164655 λ=0,11( Δэ/D + 68/Re )0.25=0,11•( 0,0001/0,1 + 68/164655)0,25=0,0213 h=λ•(L•V2)/(D•2•g)= 0,0213•(376•1,91•1,91)/(0,1•2•9,81)=14,89 м. h=ζ•(V2)/2•9,81=(1•1,912)/( 2•9,81)=0,18 м. умножаем на 21 = 3,78 м. Складываем потери: 14,89+3,78=18,67 м Рисуем на графике:  Ответ: Максимальный расход=52 м3/час. Без отводов Qmax=54 м3/час.Чтобы в ручную не считать всю математику я приготовил специальную программу:Теперь я думаю вам понятно как происходит сопротивление движению потока. Если не понятно, то я готов услышать ваши коментарии по данной статье. Пишите коментарии.В итоге, на размер диаметра влияют:1. Сопротивление, создаваемое трубой с поворотами2. Необходимый расход3. Влияние насоса его расходно-напрной характеристикойЕсли расход в конце трубы меньше, то необходимо: Либо увеличить диаметр, либо увеличить мощность насоса. Увеличивать мощность насоса не экономично.

Однотрубная система отопления с принудительной циркуляцией: требования, монтаж

На чтение 5 мин.

Однотрубная система отопления с принудительной циркуляцией — кольцевой контур, в который заливается жидкий теплоноситель. Перемещение носителя осуществляется при помощи насосной группы, что избавляет от монтажа труб с уклоном.

Однотрубная система отопления с принудительной циркуляцией

Общие требования к насосной группе

Особенностью однотрубной систем отопления считается объединение провода подачи и вывода. Она заполняется антифризом или водопроводной водой. Для воды необходимо изготовить специальный подвод. Чтобы обеспечить удаление теплоносителя, делают выводной кран с вентилем. На бачок, через который проводят заполнение, рекомендуется установить фильтр.

Технические особенности основных узлов

Жидкость при нагреве в котловом змеевике в дальнейшем поступает в трубопровод, в нем она отдает свою накопленную энергию проходя через радиаторы. Остывший теплоноситель поступает через нагнетающий насос в обратную магистраль, а затем обратно в котел. Чтобы предотвратить аварийные ситуации рекомендуется устанавливать расширительные бачки, их монтируют выше уровня прохождения первичного контура с нагретым носителем.

В системе контура отопления необходимо применять блок защиты, в конструкцию которого входят:

• отвод воздуха;
• специальный клапан предохранения;
• датчики измерения температуры и давления.

При увеличении давления система защиты предотвратит возникновение неисправности и выровняет значения основных характеристик жидкости. Благодаря термометру можно устанавливать необходимую температуру. Для упрощения установки блок защиты изготавливается как единый механизм.

Гидравлический насос производит подталкивание остывшей жидкости обратно к змеевику в котле. При этом в насосной группе применяют трубы меньшего диаметра, чем в естественном контуре. Насос позволяет преодолевать возникающее сопротивление.

Подбор диаметра труб

Внутренний диаметр труб не подбирается, а рассчитывается с учетом мощности системы, сопротивления на различных участках контура отопления. При расчете рекомендуется обратить внимание на такие моменты:

• внутренний диаметр стояковой части выполняют больше магистральной части;
• к радиаторам необходимо подводить трубопровод меньшего размера, чем магистральные;
• при изготовлении байпаса рекомендуют использовать самый маленький диаметр в контуре.
• при расчете рекомендуется учитывать материал, из которого выполняют систему отопления.

Для чего нужна принудительная циркуляция

В естественных системах, чтобы носитель равномерно распределял тепло в батареях отопления, трубы монтируют с уклоном.  В одноэтажных частных домах такие условия соблюдать легко. При установке труб по большому периметру и на несколько этажей в системе могут возникать воздушные пробки. Кроме того, жидкость остывает и крайние радиаторы не получают энергии.

При воздушной пробке теплоноситель прекращает движение, что приведет к перегреву и преждевременному выходу из строя некоторых приборов нагревательного котла. Для устранения таких проблем и неисправностей необходимо применять циркуляционный насос. С его помощью можно сократить потери тепла и ускорить перемещение жидкости в системе.

Насос для принудительной циркуляции

Преимущества и недостатки однотрубных систем отопления

К достоинствам относят:

• низкую цену контура;
• легкий монтаж системы;
• стойкость к гидравлическим режимам;
• ускоренный нагрев контура отопления;

В систему возможно устанавливать регулирующую и запорную арматуру, а также защитные механизмы, повышающие номинальную мощность отопительного котла.

Единственным недостатком считается неравномерный нагрев частей системы, в зависимости от удаления от котла.

Отличие однотрубной и двухтрубной систем отопления

При монтаже отопления ориентируются на два способа установки контура:

• одноконтурный;
• двухконтурный.

Отличием этих способов считают специфику подключения теплообменника к магистральному проводу. Одноконтурные представляют собой кольцевую замкнутую систему. В трубопровод устанавливают радиаторы, а магистраль протягивается от котла и замыкается на нем.

Двухконтурный метод представляет собой две линии, устанавливаемые параллельно. По верхнему уровню теплоноситель перемещается до радиаторов и обогревает помещение. По нижнему отработанная жидкость возвращается в котел для дальнейшего нагрева. При помощи такого способа удается обеспечить равномерный нагрев батарей в помещении. Затраты энергии на обогрев одного элемента снижаются.

При выборе системы отопления следует учитывать размеры помещения и необходимую температуру в нем.

Разводка однотрубной системы отопления

При установке магистрали для помещений с двумя и более этажами выделяют два метода разводки однотрубной системы:

• горизонтальная;
• вертикальная.

Разводка труб отопления

Горизонтальная разводка

В данном случае магистраль поднимается от котла до верхнего этажа, от нее отходят горизонтальные ответвления, которые нагревают последовательно подключенные радиаторы. После батарей трубы объединяются в один обратный стояк до нагревательного котла. Для регулировки температуры на каждом этаже устанавливают специальные краны.

Вертикальная разводка

При таком способе монтажа системы нагретый носитель поднимается по стояку до высокого уровня помещения, а затем оттуда по вертикальному проводу опускается к группам радиаторов. После отдачи им энергии жидкость поступает в общий обратный контур обратно в нагревательный агрегат. Минусом такого метода считается неравномерность прогрева батарей на разных этажах.

Особенности монтажа

Установка оборудования при соблюдении особенностей схемы однотрубной системы отопления с принудительной циркуляцией теплоносителя, не является сложным. Первоначально монтируют нагревательный агрегат, их делят на несколько видов:

• на газовом топливе;
• на дизельном топливе;
• с применением твердого топлива;
• комбинированные.

Котлы подключаются к системе дымоотвода, а также к магистрали отопления. При этом в нагревательном аппарате производят два вывода. По верхнему носитель поступает в систему, а по нижнему возвращается остывшая жидкость.

Все элементы конструкции соединяются при помощи полипропиленовых, металлических или полиэтиленовых труб высокого давления.

В магистраль подключается насос принудительной циркуляции, запорная аппаратура, краны Маевского, а также блок защиты. Трубы соединяют разными способами в зависимости от материала, из которого они изготовлены.

Расчет диаметра трубы для отопления

Чтобы избежать лишних расходов энергии и потерь тепла при обустройстве отопительной системы нужно правильно провести расчет диаметра трубы для отопления. Этот размер определяет габариты трубы и он обязательно учитывается при дизайне помещения.

Как проводится расчет диаметра отопительных труб?

Выбор диаметра труб для отопления проводится по различным схемам и формулам, которые можно найти в Интернете и с учетом различных факторов, таких как состав и качество теплоносителя, давление в разводящих трубах и многое другое. Нужно знать следующие параметры труб:

• диаметр внутренний фасонных деталей и фитинга;
• номинальная величина внутреннего диаметра;
• толщина стенки трубы.

Можно в домашних условиях диаметр измерять рулеткой или обычной линейкой. Перевести полученную величину в дюймы довольно просто: руководствуйтесь тем, что один дюйм – это 25,4 мм. При расчете диаметра отталкивайтесь оттого, что при высоте потолков в помещении в 2,5 м (стандартная высота) на один метр квадратный помещения потребляется до 100 ватт мощности теплогенератора.

Все формулы и цифры запомнить трудно и именно поэтому лучше воспользоваться расчетной таблицей из Интернета, где четко указаны все характеристики отопительных приборов, используемая схема разводки труб и другие нужные параметры.

Таблика расхода и скорости движения теплоносителя, потери давления в ПЭ и стальных трубах разных диаметров.

Сечение отопительных труб

Расчет сечения трубы отопления проводится на этапе проектирования всей отопительной системы. При выборе труб нужно обязательно учитывать их длину и размер полезного сечения. Правильно выбранное сечение труб влияет на их работу, в общем. Оптимальный размер сечения для отопительных труб в загородном доме или в квартире — от 30 до 40 мм. Очень часто не опытные в этом вопросе люди выбирают трубы с сечением, который раза в два больше нормы, они считают, что так будет свободно проходить циркуляция воды.

Но сильное увеличение сечения труб очень часто приводит к тому, что давление в отопительной системе будет снижено, и радиаторы просто в квартире не будут греть.

Благодаря данной таблице, можно определить оптимальный диаметр труб для двухтрубного отопления.

На что обращать внимание при выборе диаметра?

1. Используемый вид подачи теплоносителя. Если планируете подключить частный дом к тепловой общегородской магистрали, то диаметр труб будет неизменным, то есть, от 30 до 40 мм. Если же у вас в доме будет свой котел, то все зависит от ваших представлений о системах отопления и советах специалистов.
2. Выбранная схема и вид отопительных труб. При естественной отопительной системе одноэтажного частного дома диаметр труб часто бывает больше, ведь чем толще труба – тем меньше сопротивление. К системам с циркуляцией принудительной такое правило не подойдет, и при установке в систему циркуляционного насоса размер трубы будет отличаться.
3. Материал труб. Производя подбор диаметра для труб, вы должны знать, что для труб из разных материалов используются разные системы измерений. К примеру, все стальные и чугунные трубы для отопления маркируются по сечению внутреннему. А вот пластиковые и медные отопительные трубы маркируются по диаметру наружному. Такую особенность нужно учесть, если в сборке отопительной системы будет применяться комбинация труб из разных материалов.

Видео: «Расчет диаметра труб отопления по скорости»

Система отопления с естественной циркуляцией: схема и монтаж

Содержание статьи:

Центральная система отопления далеко не всегда оказывается эффективной, более того, в отдельных отдаленных регионах она не может быть проведена по сугубо техническим причинам. В таких случаях решением проблемы становится автономная система отопления с естественной циркуляцией либо принудительным перемещением теплоносителя.

Чем отличаются принудительная и естественная циркуляция в системе отопления

Принудительная циркуляция подразумевает передвижение воды по трубам за счет рабочего усилия насоса. Естественная система не требует задействования такого оборудования, здесь движение теплоносителя обеспечивается разницей значений веса горячей и уже охлажденной воды.

Схема отопления двухэтажного дома с принудительной циркуляцией

После подогревания котлом вода расширяется, параллельно происходит уменьшение удельного веса теплоносителя. Последний поднимается вверх, после чего передвигается по горизонтальной трубе, которая проложена под небольшим уклоном, затем попадает в стояк, следом – в радиаторы отопления, где происходит теплоотдача и охлаждение. Охлажденная вода снова становится тяжелее и спускается к котлу.

Монтаж отопления с естественной циркуляцией доставляет куда меньше хлопот. Система служит намного дольше, работает бесперебойно, бесшумно, она не зависит от подачи электроэнергии.

Схема естественной циркуляции в отопительной системе

При таких преимуществах отопление с естественной циркуляцией не лишено и ряда недостатков:

• площадь отапливаемых помещений ограничена
• после остановки система медленно возвращается к работе
• высокий расход материалов, обусловленный необходимостью прокладки труб значительного диаметра
• малая скорость перемещения теплоносителя, чреватая замерзанием труб

В чем преимущества однотрубной схемы отопления с естественной циркуляцией

Установка однотрубных отопительных систем на порядок проще работы с двухтрубными. Для их организации не требуется большого количества труб, что позволяет сэкономить средства и не портить интерьер обогреваемого помещения.

Монтаж отопления с естественной циркуляцией осуществляется с верхней разводкой, преимущественно по чердаку. Оттуда теплоноситель постепенно опускается в радиаторы жилых помещений.

Однотрубные и двухтрубные отопительные системы

Обратите внимание! Однотрубная система при верхней разводке поставляет в оборудование на нижних этажах меньше тепла, так как на пути вниз теплоноситель теряет температуру.

Поэтому для обеспечения равномерного обогрева верхнего и всех нижних этажей дома используют технические уловки. Так, на верхних этажах рядом с радиаторами устанавливаются байпасы, представляющие собой отрезки труб, оборудованные арматурой регулировки. А помещения нижних этажей оборудуются батареями с большим количеством секций.

Вентили специалисты рекомендуют устанавливать и на байпасах, и на входе в каждый радиатор. В современных отопительных системах устанавливаются трехходовые краны, которые монтируются в точке, где соединяются подводящая труба и перемычка.

Схемы подключения радиаторов

Монтаж подобного отопительного оборудования требует строгого соблюдения технических требований. Несоблюдение правил чревато снижением и без того не слишком высокой скорости движения теплоносителя. При грубых ошибках в организации системы и вовсе не удается обеспечить циркуляцию воды по трубам.

Ключевые требования к прокладке труб:

• разводка с минимальным количеством поворотов, которые будут препятствовать потоку теплоносителя
• строгое соблюдение рекомендованного угла наклона
• использование труб с проектным сечением

Как самостоятельно рассчитать однотрубную отопительную систему

Основные этапы расчета водяного отопления:

• расчет необходимой мощности котла
• расчет мощности всех отопительных приборов, которые будут подключены к системе
• подбор диаметра труб

Рассчитываем мощность котла

Мощность котла рассчитывается с учетом будущих показателей потери тепла через стены, полы, крышу здания. При определении показателей мощности следует брать во внимание площадь указанных поверхностей, материал изготовления, а также разницу в показателях температуры внутри и снаружи помещения в период, когда планируется обогрев дома.

Теплопотери стандартного частного дома

Схема расчета мощности котла: Wк = Wуд х S/10, где

• S – суммарная площадь помещения
• Wуд – удельная мощность, которая требуется на каждые 10 кв.м. помещения
• Wк – показатели мощности котла

Обратите внимание! Удельная мощность определяется условиями климатической зоны. Так, для Подмосковья показатель варьируется в пределах 1,2-1,5 кВт, в южных регионах составляет 0,7-0,9, а в северных 1,5-2 кВт.

Как определить необходимую мощность радиаторов и диаметр труб

Для расчета мощности радиаторов в отопительной системе с естественной циркуляцией используется приведенная выше формула с небольшой поправкой: вместо суммарной площади дома подставляются значения площадей каждой комнаты.

Расчет отопительной системы

Не забудьте! Для радиаторов на первом этаже потребуется увеличение мощности на 15-20%.

Расчет необходимого диаметра труб проводится следующим образом:

1. Определяется циркуляционное давление, которое зависит от длины и высоты труб, а также разницы температуры воды на входе/выходе из котла.
2. Вычисляются потери давления на поворотах, прямых участках и в каждом отопительном приборе.

Произвести такие подсчеты человеку без специальных знаний, как и рассчитать всю отопительную схему с естественным типом циркуляции, очень сложно. Малейшая ошибка чревата огромными теплопотерями. Поэтому расчеты и последующий монтаж отопительной системы целесообразно поручить специалистам.

Видео: самотечная система отопления частного дома

Понравилась статья? Поделитесь с друзьями:

Диаметр трубы для отопления – делаем правильный выбор

Все мы понимаем, что, когда дело касается отопления помещений, на первое место выходят так называемые тепловые потери отопительной системы дома. И их обязательно надо снижать. Это закон теплотехники, от которого зависит эффективность работы самой системы, экономичность потребления топлива и оптимальный температурный режим в комнатах. На тепловые потери влияет много факторов, один из них – это диаметр трубы для отопления. Казалось бы, не самый существенный фактор, но это только на первый взгляд. Поэтому стоит в нем разобраться.

Во-первых, необходимо отметить, что сечение трубы в независимости от материала, из которого она изготовлена, влияет на гидродинамику трубопровода. Поэтому просто так бездумно относится к выбору нельзя. Многие обыватели считают, что, чем больше диаметр трубы, тем эффективнее будет работать отопление дома. Это неправильно, ведь большое сечение требует большого количества теплоносителя, который надо будет нагревать, а значит, затрачивать большое количество энергоносителя. Это первое.

Второе – в таком контуре резко падает давление. А это может привести к тому, что отопление, как таковое, можно считать неработающим. Котел будет греть теплоноситель, но перемещаться по трубному контуру он не будет. Конечный результат – закипание котла.

Выбираем сечение

Подбираем диаметр

В частном домостроении все будет зависеть от того, каким способом будет перемещаться теплоноситель по трубной разводке. Если вами выбрана автономная система с естественной циркуляцией теплоносителя, то сечение обычно выбирается больше, чем в системе с принудительным перемещением. Почему?

• Для того чтобы горячая вода начала движение вверх, необходима определенная температура и определенный объем самой жидкости. Но это не самое главное. Считается, что есть некоторые чисто технологические позиции, которые влияют на эффективность работы отопления в целом. Одним из таких показателей является скорость водяного потока. Оптимальное ее значение – 0,3-0,7 м/с. Если диаметр труб будет большой, то скорость потока будет снижаться, если наоборот маленький, то скорость просто увеличится.
• В принудительном отоплении установлен циркуляционный насос, который создает необходимое давление внутри контура. Соответственно, его подбирают под определенную систему так, чтобы скорость внутри разводки также находилась в вышеуказанном диапазоне. Поэтому чаще всего для такой отопительной системы подбираются трубы с меньшим диаметром, ведь насос все равно будет прогонять теплоноситель с расчетной скоростью.

Как рассчитать диаметр

Чтобы провести расчет диаметра трубы для отопления, можно воспользоваться разными способами.

• Сделать это самостоятельно.
• Использовать онлайн калькулятор, их можно сегодня найти на разных строительных сайтах.
• Воспользоваться таблицами.

Кстати, вот одна из таких таблиц на фото ниже.

Таблица диаметров труб

Самостоятельный расчет на самом деле не очень сложный. Но при его проведении приходится учитывать достаточно большой ряд различных показателей, которые влияют на значение тепловых потерь. Поэтому для облегчения проводимого расчета используется одно стандартное соотношение: на 10 м² отапливаемой площади расходуется 1,0 кВт тепловой энергии. Для точности конечного результата к окончательной цифре прибавляется 20%.

К примеру, для отопления дома площадью 100 м² потребуется 10 кВт тепла. Прибавляем к этому значению 20%, получаем 12 кВт (12000 Вт). Теперь по вышеуказанной таблице находите этот показатель и сверяете его с диаметром трубы и скоростью движения теплоносителя. Получается, что вам необходима труба диаметром 15 мм, в которой вода будет перемещаться со скоростью 0,5-0,55 м/с. По всем показателям это оптимальный выбор, который попадает в диапазон оптимальных скоростей. Единственное отметим, что данная таблица применяется для двухконтурной системы. Для одноконтурной есть свои показатели.

Основные размеры трубы

Как видите, правильно подобранное сечение трубопровода для системы отопления играет немаловажную роль в ее эффективной работе. Конечно, необходимо учитывать и материал, из которого труба изготовлена, потому что это влияет на скоростные характеристики теплоносителя. Поэтому здесь вам придется воспользоваться другими таблицами.

Как рассчитать диаметр труб для отопления в частном доме

Как сделать теплый пол от отопления

Как произвести подготовительные работы и самостоятельно сделать теплый пол от отопления. Рекомендации по выполнен. расчета и монтажа системы напольного обогрева…

11 04 2021 3:13:27

Электрокотлы для отопления частного дома

Подробное освещение вопроса, какими плюсами и минусами обладают электрокотлы для отопления. Описание особенностей Т Э Новых, индукционных и электродных генераторов тепла….

05 04 2021 19:47:55

Газовые котлы АОГВ-6,9;-9,3;-12,5: инструкция, автоматика, неисправности

Разбираем газовые котлы А О Г В-6,9;-9,3;-12,5: обзор, устройство, настройка автоматики, технические хаpaктеристики. Преимущества и недостатки, неисправности и методы их устранения….

30 03 2021 12:31:30

Цветной шифер и другие виды шиферного листа: металлический, безасбестовый, алюминиевый, римская черепица, железный

Какой бывает шифер? В этой статье мы подробно рассмотрим виды шифера для крыши: цветной, металлический и алюминиевый лист, железный и оцинкованный, безасбестовый, римскую черепицу, стеклопластиковый, резиновый, полимерпесчаный и другие виды….

23 03 2021 3:25:19

Электрические котлы Протерм Скат: обзор, отзывы, хаpaктеристики

Обзор-инструкция на электрические котлы Протерм Скат 6,9,12,14,18,21,24,28 К. Технические хаpaктеристики, отзывы и цена. Ошибки, неисправности, схема подключения….

18 03 2021 6:16:33

Какой водонагреватель лучше выбрать

Установки подразделяют на два вида: электрические и газовые. Такие системы очень удобны и просты в эксплуатации. Модельный ряд разных типов водонагревателей позволит выбрать бойлер, в зависимости от нужного объема потрeбляемой воды и энергоресурсов для ее нагрева ……

14 03 2021 12:54:38

Печи для бани Ермак с выносным баком

Дровяных печи для бани Ермак: конструктивные особенности, модельный ряд, возможные варианты комплектации. Выбор агрегата по мощности и объему парной….

07 03 2021 1:13:40

Устройство и схема подключения розетки со встроенным УЗО

Конструкционные варианты розеток со встроенным У З О, их внутреннее устройство. Схемы подключения защитных розеток. Преимущества и недостатки встроенных в розетку устройств защитного отключения. Правила подключения розеток с У З О к электросети, советы по выбору подходящей модели. Видеоматериалы…

06 03 2021 5:21:10

Схема отопления с принудительной циркуляцией для одноэтажного дома: однотрубная и двухтрубная система

Системы отопления загородных зданий с естественной циркуляцией воды сегодня используются очень редко. В основном владельцы жилых домов устанавливают более современные и удобные конструкции с принудительным током теплоносителя. Схемы таких систем относительно просты. От открытых они отличаются в основном лишь наличием циркуляционного насоса и меньшим диаметром магистралей.

Разновидности систем

Основной отличительной особенностью систем отопления этого типа является то, что теплоноситель в них перемещается по магистралям неестественным током (за счет разницы давлений нагретой и охлажденной воды), а благодаря работе насоса. Разновидностей систем с принудительной циркуляцией воды существует всего две:

• Однотрубная. Такие конструкции устанавливаются обычно в небольших по площади домах. Их основной особенностью является наличие лишь одной кольцевой магистрали, по которой и циркулирует вода. При этом часть трубы, расположенная до радиатора, называется подающий, после него — обратной. Очень часто это просто модернизированные схемы систем с естественной циркуляцией теплоносителя.
• Двухтрубная. Системы этого типа лучше подходят для одноэтажных домов большой площади. Работают они эффективнее однотрубных, хорошо прогревая помещения. К каждому радиатору в таких схемах подключено по две трубы — обратная и подающая.

Далее во всех подробностях разберемся с тем, какие особенности имеют та и другая схемы отопления одноэтажных домов.

Особенности конструкции

В конструкцию систем отопления с принудительной циркуляцией воды обычно включаются следующие элементы:

• котел;
• магистрали;
• циркуляционный насос;
• радиаторы;
• расширительный бак.

Какими бывают котлы

Собственно сам нагревающий агрегат в такой системе может использоваться любой. Наиболее популярными у владельцев загородных домов являются газовые котлы. Установка такого оборудования обходится довольно-таки дорого. Зато в эксплуатации оно очень экономично. В тех населенных пунктах, где не проведены газовые магистрали, могут использоваться котлы:

1. Электрические. Установка такого оборудования обходится очень недорого. Однако само отопление дома в зимний период обычно влетает «в копеечку». Ведь стоит электричество в наше время очень дорого.
2. Жидкотопливные. Такие котлы работают чаще всего на солярке. Их преимуществом является относительная экономичность. Недостатком — некоторое неудобство в использовании. Такой котел приходится периодически заправлять.
3. Твердотопливные. Это самый дешевый в эксплуатации вид котлов и одновременно самый неудобный в использовании. Котлы этого типа работают на дровах, угле или брикетах.

Расчет необходимой мощности котла отопления для систем с принудительной циркуляцией теплоносителя обычно доверяют специалистам. Выполняя эту операцию, следует учитывать массу самых разных факторов (толщина стен дома, особенности планировки, степень утепленности и т. д). Приблизительно же этот параметр вычисляется, исходя и того, что на 10 м2 помещения требуется 1 кВт мощности.

Магистрали

В однотрубных и в двухтрубных системах отопления принудительного типа в качестве магистралей чаще всего используются металлопластиковые трубы. Эта разновидность хорошо переносит разницу температур между окружающей средой и теплоносителем, а также отличается механической прочностью и долговечностью.

Диаметр труб для отопления с принудительной циркуляцией подбирается по специальным таблицам. Последние составляются с учетом прежде всего такого параметра, как скорость движения теплоносителя.

Диаметр у магистралей отопления в схемах с принудительным током обычно не слишком большой. Это считается одним из их преимуществ в сравнении с системами с естественной. Прокладка труб при использовании таких схем производится без уклона, что, конечно же, также может считаться немаловажным плюсом.

При выборе магистралей, помимо всего прочего, должен быть учтен диаметр выходных патрубков котла. Если в этом плане будут какие-либо несовпадения, подключение придется производить с использованием дополнительных элементов. Иногда для прокладки магистралей хозяева загородных домов используют также и стальные трубы. Стоят они очень недорого, но, к сожалению, недолговечны, так как подвержены коррозии. Монтировать магистрали в системах с принудительной циркуляцией можно по стене или под полом.

Радиаторы

Батареи в системах с принудительной циркуляцией также могут устанавливаться разные. Наибольшей популярностью пользуются биметаллические. Выглядят такие радиаторы так же эстетично, как алюминиевые и при этом служат так же долго, как чугунные. Монтируют батареи в системах отопления с принудительным током под окнами таким образом, чтобы расстояние от пола до подоконника составляло не менее 7–8 см, а от стены — 3 см. Количество необходимых радиаторов рассчитывают исходя из того, что на 1 м2 площади помещения нужно приблизительно 100 кВт их мощности.

Циркуляционный насос

Это один из самых важных элементов в схеме системы отопления с принудительной циркуляцией. Выбирают циркуляционный насос по такому параметру, как мощность. Рассчитывается она по формуле:

Qpu = Qn : 1,163 x Dt [м3/ч],

где Qpu — подача агрегата, Qn — количество потребляемого в доме тепла, Dt — разница температур на обратном и подающем трубопроводах.

Устанавливаются циркуляционные насосы на обратной трубе рядом с котлом. При этом в схему подключения в обязательном порядке включаются байпас с тремя кранами и фильтр. Если последний установлен не будет, внутренние узлы насоса быстро забьются илом или окалиной. Результатом же засора станет выход оборудования из строя.

Сегодня в продаже имеются в том числе и радиаторы всасывающего типа, монтировать которые можно и на подающей трубе. Такие конструкции способны выдерживать высокие температуры теплоносителя. Однако стоят они очень дорого и используются в схемах систем отопления частных домов довольно-таки редко.

Расширительный бак

Этот элемент в схеме с принудительной циркуляцией теплоносителя используется обязательно. Для систем этого типа обычно применяются мембранные закрытые бачки. Устанавливают их в непосредственной близости от котла на обратной трубе.

При выборе расширительного бака в первую очередь следует определиться с его объемом. В системах отопления этот элемент отвечает прежде всего за сохранение оптимального давления в трубопроводе. При нагревании вода, как известно, увеличивается в объеме. Излишки ее при этом поступают в бак.

В результате не происходит разрыва магистралей. Необходимый для той или иной системы объем бачка определяется по формуле:

V = e x C : (1 — Po/Pmax) x k,

где е — коэффициент расширения теплоносителя, Po — изначальное давление в баке, C — объем воды в системе, Pma x — предельное давление в системе, k — коэффициент заполнения емкости. Последний показатель, как и предельное давление, определяются по специальным таблицам.

Порядок сборки

Монтируется система отопления с принудительной циркуляцией теплоносителя следующим образом:

1. Устанавливается котел отопления. Некоторые современные модели размещаются на полу, другие вешаются на стену.
2. Монтируется дымоход.
3. Газовый котел подключается к магистрали. По нормативам эту процедуру имеют право выполнять только специалисты.
4. На стены навешиваются радиаторы отопления.
5. Протягиваются магистрали.
6. Батареи подключаются к трубам.
7. На обратную трубу устанавливаются циркуляционный насос и расширительный бак.
8. Магистрали присоединяются к патрубкам котла.
9. Производятся пусконаладочные работы.

По этой схеме собираются и однотрубная, и двухтрубная система с принудительной циркуляцией. Разница заключается лишь в способах прокладки магистралей и присоединения радиаторов.

Особенности монтажа однотрубной системы

В однотрубных схемах батареи чаще всего устанавливаются на байпасе. При простой врезке их в магистраль собранная система получается очень неудобной в эксплуатации. Например, если вдруг по каким-нибудь причинам нужно будет заменить радиатор или отремонтировать его, хозяевам дома придется отключать и сливать всю систему отопления. К тому же при последовательном подключении радиаторов без использования байпасов исключается возможность регулировать температуру прогрева воздуха в разных помещениях.

Чаще всего магистраль однотрубных систем в одноэтажных домах проводят под полом. При этом используется нижнее подключение радиаторов. То есть и подводящий, и обратный отрезки байпаса присоединяются к нижним патрубкам.

Особенности сборки двухтрубной системы

В одноэтажных зданиях используется так называемый горизонтальный способ прокладки магистралей двухтрубных систем, поскольку вертикальные стояки здесь попросту не нужны. Проводятся трубы обычно по стенам, а подключение радиаторов производится диагональным методом. То есть подводящая магистраль подсоединяется к верхним патрубкам батарей, а обратная — к нижним с противоположной стороны. Иногда в двухтрубных системах, как и в однотрубных, используется нижний способ подключения. В этом случае обратная труба может быть проведена под полом, а подводящая — по стене.

Запорная арматура

Разумеется, при сборке систем отопления с принудительной циркуляцией теплоносителя используется и разного рода запорная арматура. Так, на байпас радиаторов отопления в однотрубных схемах со стороны подающей магистрали обязательно устанавливается кран.

Его применение позволяет в случае необходимости отключить батарею от общей системы и легко заменить либо отремонтировать. На каждый радиатор устанавливается кран Маевского. Этот элементы позволяет выпускать из системы воздух при проведении опрессовки и ее заполнении. В самом трубопроводе предусматривается спускной кран. Располагают его обычно в нижней точке обратной магистрали.

Как видите, схемы отопительной системы с принудительной циркуляцией воды достаточно просты и слишком большого количества элементов в себя не включают. Многие владельцы загородных домов устанавливают их в том числе и самостоятельно. Основная сложность при сборке систем этого типа заключается прежде всего в подборе необходимого оборудования и выполнении разного рода рассчетов.

Оцените статью: Поделитесь с друзьями!

Как измерить бытовую систему водяного отопления Btu

Если вы читали эти статьи на протяжении многих лет, вы читали об измерении и расчетах производительности систем принудительного воздушного отопления и охлаждения. В связи с многочисленными недавними запросами читателей Hotmail, похоже, что сейчас самое подходящее время для обсуждения другого теплоносителя — воды. Поскольку зима приближается, давайте посмотрим, как измерить подачу британских тепловых единиц в бытовой системе водяного отопления.

Это будет краткое введение в измерение Btu водяной системы, и, если реакция будет хорошей, мы можем продолжить добавлять больше к основам измерения производительности водной системы.

Формула
Понимание математики — ключ к пониманию того, как Btus перемещаются в системе. Простая формула: Доставленных системой БТЕ = 500 x GPM x Изменение температуры системы . Давайте посмотрим на формулу, посмотрим, что означает каждая деталь, чтобы мы могли лучше ее понять.

Константа BTU в формуле равна 500. Поскольку BTU измеряется в час, 500 получается из одного галлона воды, который весит 8,33 фунта, умноженные на 60 минут за один час (8,33 фунта, умноженные на 60 минут = 500).

Вторая часть формулы, которую иногда труднее всего определить, — это галлоны в минуту или системные галлоны в минуту. Подробнее на эту тему мы поговорим ниже.

Наконец, нам нужно изменение температуры системы. Обратите внимание, что мы говорим об изменении температуры системы, а не об изменении температуры оборудования. Изменение температуры — это эффект Btus, переданного из системы в кондиционируемое пространство. Поэтому, если вы измеряете температуру воды, выходящей из теплообменника, и вычитаете температуру воды, возвращающейся из системы, вы обнаружите изменение температуры системы.

Рассчитать давление насоса и построить график в галлонах в минуту
Для целей этой статьи и поскольку мы рассматриваем только основы, давайте взглянем на расчет давления насоса и построение графика в галлонах в минуту в системе жидкостного отопления. Мы могли бы обсудить гораздо более точные методы, но это только отправная точка. Это начальный тест для начинающих.

Так как нам не нужно заниматься проблемами утечки в воздуховоде, мы будем предполагать, что насос GPM является системным GPM. Для оценки GPM насоса необходимы два бита информации.Первый элемент — это характеристика насоса. Когда насос построен, каждый производитель публикует кривую производительности насоса. У вас должна быть точная кривая производителя, соответствующая установленному насосу, с правильным размером рабочего колеса, числом оборотов в минуту и ​​точным номером модели, иначе ваш тест Btu может отличаться более чем на 50%. Просто введите в Google слова, характеристика насоса, номер модели и название производителя. Самые актуальные характеристики насосов можно найти в Интернете.

Подобно кривой вентилятора, эта таблица графически представляет производительность насоса в определенных полевых условиях.

В идеале давление в насосе измеряется с помощью манометров или устройства для настройки контура. Для ознакомления мы рассчитаем давление насоса по проверенной временем формуле.

Кроме того, при выполнении теста убедитесь, что все клапаны зон открыты и требуют нагрева. Тест производительности системы будет неточным, если одна или несколько зон будут закрыты.

Для расчета давления насоса в простой жилой системе используйте следующую формулу. Давление насоса в футах напора = футы трубы x 1.5 х 0,04.

Во-первых, чтобы найти футы трубы, измерьте общие погонные футы подающей и обратной трубы к самому дальнему отопительному устройству в доме и от него. 1,5 в формуле — это коэффициент, включающий сопротивление трубы потоку (давлению) и падение давления в компонентах системы (змеевиках, плинтусах, радиаторах и избыточной арматуре). 0,04 представляет собой типичный коэффициент трения трубы на 100 футов трубы.

Пример: Допустим, в доме есть 90 футов трубы в системе водяного отопления.Формула: 90 футов x 1,5 x 0,04 = 5,4 фута головы.

После того, как мы рассчитали давление насоса, мы можем использовать кривую насоса для построения графика насоса в галлонах в минуту. Сначала отметьте рассчитанное давление насоса на левой стороне кривой насоса, где находятся ноги напора. Во-вторых, постройте прямую линию по горизонтали вправо, пока она не пересечет закругленную линию кривой насоса. В-третьих, нанесите график прямо в нижнюю часть таблицы, чтобы определить количество галлонов в минуту, в котором движется насос.

Теперь вы нашли насос, GPM, и вы на шаг ближе к поиску системы, доставляющей Btu.

Измерение температуры в системе
Для обеспечения полной точности погружной термометр следует погружать в воду. Но я предположил, что у вас, вероятно, нет пробок Пита, чтобы получить доступ к температуре или давлению воды. Поэтому мы измеряем температуру на поверхности трубы, обернутой изоляцией, или с помощью накладного термометра, специально созданного для измерения температуры трубы.

Поскольку мы проверяем производительность системы, а не оборудования, измерьте температуру воды на расстоянии не менее 10 диаметров трубы ниже по потоку от насоса или теплообменника, где вода выходит из оборудования.Считайте и запишите температуру с точностью до 1/10 градуса.

Измерьте температуру возвратной воды, измерив температуру трубы не менее 10 диаметров трубы до того, как труба вернется в оборудование. Следите за тем, чтобы измерения не производились непосредственно над котлом или слишком близко к дымоходу, чтобы не улавливать тепло оборудования при измерении температуры воды.

Вычтите температуру подаваемой воды из температуры обратной воды, чтобы найти изменение температуры системы.

Рассчитать доставленные системой Btu
Чтобы найти систему, доставленную Btu, умножьте константу Btu на 500 x расчетное значение насоса в галлонах в минуту x изменение температуры системы.

Пример: Допустим, вы рассчитываете давление насоса на 8,0 футах напора. Используя кривую насоса, вы строите график и обнаруживаете, что насос Taco 007 перемещается на 8,0 галлона в минуту. Затем вы измеряете температуру системы и обнаруживаете, что температура нагнетания составляет 168,2F, а давление возврата — 152,4F. Вы вычитаете, чтобы получить изменение температуры системы на 15.8F. Теперь, когда у вас есть все факты, примените формулу гидронных британских тепловых единиц: 500 x 8,0 галлонов X 15,8 ° = 63 200 британских тепловых единиц.

Приближается ли поставка системы BTU к техническим характеристикам оборудования, или это новый котел мощностью 100 000 британских тепловых единиц, взломанный в испорченной системе трубопроводов 40-летней давности? Возможно, ваш клиент хотел бы, чтобы вы прописали некоторые дополнительные улучшения системы.

Это все, что вам нужно для завершения начального расчета БТЕ для жидкостной системы. Помните, что это всего лишь начальный тест.Существуют гораздо более точные тесты и процедуры, необходимые для повышения точности и точного расчета системы, доставленной в британских тепловых единицах. Но это отличное начало.

К сожалению, нередко можно обнаружить, что производительность гидравлической системы значительно ниже 60% от номинальной мощности оборудования. Вероятно, не стоит обещать клиентам, что их гидронная система идеальна, пока вы не измеряете ее производительность. Предполагать, что система работает с заявленной номинальной мощностью оборудования, — не лучшая идея.

Итак, насколько хорошо работала последняя гидронная система, над которой вы работали? Или насколько плохо это было? Если вы не можете честно ответить на этот вопрос, возможно, вы захотите измерить в следующий раз.

Роб «Док» Фалке служит в отрасли в качестве президента National Comfort Institute, обучающей компании, специализирующейся на измерении, оценке, улучшении и проверке характеристик систем HVAC. Если вы подрядчик или технический специалист по ОВКВ, заинтересованный в процедуре измерения производительности системы водяного отопления, свяжитесь с Доком по адресу robf @ ncihvac.com или позвоните ему по телефону 800-633-7058. Посетите веб-сайт NCI по адресу nationalcomfortinstitute.com для получения бесплатной информации, технических статей и загрузок.

Что происходит с потоком воздуха в воздуховодах при изменении размера?

Продолжая изучение качества и фильтрации воздуха в помещении, мы возвращаемся к конструкции воздуховодов. Сегодняшний урок посвящен интересной части физики, которая применима ко всему, что течет. Это может быть тепло, частицы или электромагнитная энергия. В нашем случае это воздух, жидкость, и рассматриваемая нами физика называется уравнением неразрывности.По сути, это закон сохранения, похожий на закон сохранения энергии, и я буду использовать диаграммы, чтобы рассказать историю.

Основная преемственность

Во-первых, у нас есть воздуховод. Воздух поступает в воздуховод слева. Когда воздух движется по воздуховоду, он сталкивается с редуктором, а затем с меньшим воздуховодом.

Что мы знаем о потоке здесь? Думая о законах сохранения, мы можем с уверенностью предположить, что каждая капля воздуха, попадающая в воздуховод слева, должна где-то выходить из воздуховода.Мы возьмем идеально герметичный воздуховод, чтобы воздух не выходил наружу.

Но мы можем усилить наше утверждение, перейдя только от количества воздуха к скорости потока. Используя «эти раздражающие британские единицы измерения», мы можем сказать, что на каждый кубический фут в минуту (куб. Фут / мин) воздуха, поступающего в воздуховод слева, соответствующий кубический фут в минуту выходит из воздуховода справа. Мы обозначаем поток здесь символом q .

Итак, у нас есть сохранение воздуха — воздух не создается и не разрушается в воздуховоде — и у нас есть сохранение скорости потока.Скорость входящего потока равна скорости выходящего потока. Но чтобы сделать это второе утверждение, нам пришлось сделать предположение.

Мы знаем, что количество молекул воздуха должно быть одинаковым, несмотря ни на что, но сказать, что объем воздуха одинаковый, означает, что плотность не меняется. Когда мы говорим это, мы предполагаем, что воздух несжимаем. Это правда? Можем ли мы с полным основанием сказать, что воздух несжимаемая жидкость?

Общий ответ на вопрос о несжимаемости, как вы знаете, состоит в том, что воздух, безусловно, является сжимаемой жидкостью.Но мы можем рассматривать его как несжимаемый в системах воздуховодов, потому что изменения давления, через которые он проходит, достаточно малы, и плотность воздуха не меняется.

Вот почему наше утверждение выше, что скорость потока (в кубических футах в минуту) воздуха, поступающего в канал, равна скорости потока воздуха, выходящего из канала. У нас преемственность!

Но что происходит со скоростью?

Скорость воздуха в воздуховодах является действительно критическим фактором, определяющим, насколько хорошо воздуховоды выполняют свою работу по эффективному и бесшумному перемещению нужного количества воздуха из одного места в другое.Мы рассмотрим эту тему подробнее в следующей статье, а пока давайте разберемся, что происходит со скоростью, когда воздух переходит из большего канала в меньший.

Во-первых, возвращаясь к нашему утверждению о равных расходах, давайте посмотрим на равные объемы воздуха, проходящего через систему воздуховодов. Допустим, узкая синяя полоска в большем воздуховоде представляет один кубический фут воздуха. Я показал поперечное сечение воздуховода A ₁ под этой полосой.

В меньшем воздуховоде тот же кубический фут воздуха распространяется на большую длину, потому что поперечное сечение, A ₂ , меньше.Имеет смысл, правда? Вы получаете равные объемы, потому что объем в каждом случае равен площади поперечного сечения, умноженной на длину.

Следующий шаг — понять, что эти разные длины означают для скорости. Согласно нашему уравнению для расходов, q _in = q _out , в то же время, когда вся узкая воздушная пробка слева сдвинется вперед на одну длину, более широкая пробка воздуха справа будет также продвиньтесь на одну длину вперед.

Как это.

Красная стрелка показывает начальное расстояние между двумя воздушными пробками. Как видите, расстояние между ними увеличилось.

В следующем временном блоке узкая пробка продвигается еще на одну длину. Толстая пробка также продвигается вперед на одну из своих длин.

А потом еще раз.

Каждый раз, когда воздух продвигается на один кубический фут, воздух в меньшем воздуховоде перемещается дальше, чем воздух в большем воздуховоде. Другими словами, скорость в меньшем воздуховоде выше, чем в большем.И это связано с площадью поперечного сечения.

Это уравнение для площади и скорости называется уравнением неразрывности для несжимаемой жидкости.

Стивен Доггетт, доктор философии, LEED AP, провел моделирование вычислительной гидродинамики (CFD), используя геометрию моих диаграмм выше, и получил несколько хороших изображений поля скорости. Вот первый, смоделированный для ламинарного потока:

Интересно посмотреть, как изменяется скорость в штуцере редуктора.Следует отметить, что это моделирование предполагало ламинарный поток, тогда как в реальных каналах была бы некоторая турбулентность. И поскольку вам сейчас интересно, вот его симуляция того же самого с турбулентностью:

Немного медленнее. Немного больше действий на углах. Немного льстит при сокращении. В целом, они очень похожи и на них интересно смотреть.

Ключевой вывод здесь заключается в том, что воздух движется из большего канала в меньший, скорость увеличивается.Когда он движется от меньшего к большему воздуховоду, скорость уменьшается. В обоих случаях скорость потока — количество воздуха, проходящего через воздуховод, в кубических футах в минуту — остается неизменной.

Приложения уравнения неразрывности

Поскольку мы только что рассмотрели проблемы с фильтрацией воздуха в моей прошлой статье, вы можете подозревать, что это имеет какое-то отношение. И ты прав. Многие фильтры вызывают проблемы с воздушным потоком из-за чрезмерного падения давления. Чтобы решить эту проблему, вы должны понимать взаимосвязь между площадью фильтра, скоростью забоя и падением давления.Задействовано уравнение неразрывности. Я собираюсь углубиться в это в ближайшее время.

Уравнение неразрывности также имеет решающее значение для поддержания скорости в каналах там, где вы хотите. Если он поднимется слишком высоко, вы получите слишком большой перепад давления и, возможно, шум.

И еще есть проблема подачи кондиционированного воздуха в помещения с надлежащей скоростью, чтобы обеспечить достаточное перемешивание воздуха в помещении. Это похоже на проблему с фильтром, когда вы должны смотреть на спецификации производителя для регистров подачи, за исключением того, что вы не пытаетесь минимизировать падение давления, как в случае с фильтрами.Вы пытаетесь выбрать правильный регистр для количества воздушного потока, чтобы получить правильную величину выброса и разброса.

Темой моего первого семестра вводного курса физики, которая мне понравилась больше всего, была гидродинамика, изучение движущихся жидкостей. Мы не касались вязкости, но мы узнали об уравнении Бернулли, трубках Вентури и скорости жидкости. В то время я понятия не имел, что буду использовать этот материал в реальном мире почти четыре десятилетия спустя.

Конечно, в 1980 году я даже не мог предсказать, что стану пекарем в Питере.Луи в 1984 году, мыл окна в Сиэтле в 1986 году или преподавал физику в средней школе Тарпон-Спрингс во Флориде в 1989 году. Как, возможно, сказал Нильс Бор, «трудно предсказать, особенно будущее».

Статьи по теме

Основные принципы проектирования воздуховодов, часть 1

Преобразование нагрузок нагрева и охлаждения в поток воздуха — физика

Наука о провисании — гибкий воздуховод и воздушный поток

Две основные причины снижения потока воздуха в воздуховодах

ПРИМЕЧАНИЕ: Комментарии модерируются.Ваш комментарий не появится ниже, пока не будет одобрен.

Thermosiphon System — обзор

7.5.1 Комбинирование технологий

Согласно Калогиру и Трипанагностопулосу (2006), более ранние концепции гибридных фотоэлектрических систем и тепловизоров были опубликованы в 1978 году, а первая коммерческая термосифонная система этого типа была опубликована примерно 20 лет спустя. Фотоэлектрические элементы преобразуют солнечное излучение в электричество, и элементы соединяются в фотоэлектрические модули, которые, в свою очередь, также сгруппированы последовательно или параллельно, или как комбинация последовательного и параллельного (Tiwari, Mishra, & Solanki, 2011).Рис. 7.15 показывает PV / T.

Рисунок 7.15. Фотоэлектрический / тепловой коллектор.

На рис. 7.15 показаны фотоэлектрические медные трубы для горячего водоснабжения, электрические соединения и фотоэлектрические гирлянды. Типичный фотоэлектрический преобразователь предназначен для выработки электроэнергии через фотоэлементы и одновременной передачи тепла, поглощенного элементами, а не преобразованного в электричество, посредством такой среды, как воздух или вода, для немедленного использования или резервирования в системе горячего водоснабжения. бак. Тепло в фотоэлектрическом модуле возникает из-за того, что элементы не могут преобразовывать солнечное излучение всех длин волн в электричество.Удаление тепла полезно не только для подачи горячей воды, но, главным образом, для поддержания разумной эффективности элементов, поскольку выходная электрическая мощность может упасть на 0,2–0,5% на каждый 1 ° C повышения температуры фотоэлектрического модуля, как заявили Макки, Омер. , и Сабир (2015). Более высокая удельная теплоемкость воды по сравнению с воздушной средой, а также меньшие колебания температуры, делает жидкость более подходящей в качестве рабочего тела для гибридных коллекторов, что обеспечивает некоторую гибкость конструкции, как показано на рис.7.16.

Рисунок 7.16. Поперечные сечения фотоэлектрических / тепловых коллекторов с водой в качестве рабочего тела (а) Конструкция, состоящая из листов и труб. (б) Коробчатая конструкция канала. (c) Канал над фотоэлектрической конструкцией. (d) Канал ниже PV (прозрачный) дизайн (Chow, 2010).

Первый тип коллектора, показанный на рис. 7.16, пластинчатый и трубчатый, является наиболее распространенной конструкцией с абсорбирующей пластиной и трубками, такой как широко распространенный FPC. Иначе и быть не могло; Имея это в виду, Флоршуэц (1979), Лалович, Кисс и Виклием (1986), Агарвал и Гарг (1994), а также Гарг и Агарвал (1995) задумали свои исследования PV / Ts, моделируя PV / Ts из труб и листов. путем наклеивания фотоэлементов на пластину.Циркуляция жидкости достигается за счет эффекта термосифона и силы тяжести. Даже с учетом высокой возможности использования FPC в качестве опоры для фотоэлементов, второй тип, конструкция коробчатого канала, был усовершенствован Чоу, Хе и Джи (2006) за счет использования модулей коробчатой ​​конструкции из экструдированного алюминиевого сплава в качестве поглотителя. материала и фотоэлектрического модуля над ним, достигая мгновенного теплового и электрического КПД до 76,3% и 12,3% соответственно. Тем не менее, упаковка коллектора PV / T создает большее количество слоев, как показано на рис.7.17.

Рисунок 7.17. Составляющие слои фотоэлектрического / теплового коллектора (Chow et al., 2006). EVA , этиленвинилацетат; TPT , Тедлар – полиэстер – Тедлар.

Сверху вниз коллектор PV / T на рис. 7.17 имеет первый слой из стекла и второй слой воздуха, прозрачный слой приклеенного TPT (тедлар – полиэстер – тедлар) и EVA (этиленвинилацетат), инкапсулирующий ламинированный фотоэлемент с другим слоем EVA и непрозрачным TPT под ним. TPT обеспечивает хорошую электрическую изоляцию, а EVA — адгезию к пластине абсорбера.Силиконовый гель — это альтернативный герметизирующий материал для EVA, используемый для герметизации ячейки в раме, укрепления против высоких температур, УФ-излучения и других агрессивных агентов. Гибридный коллектор готов с добавлением остальных компонентов, абсорбирующей пластины, изоляционного материала, задней крышки и тепловой части.

Что касается фотоэлектрического материала, то существует два производственных процесса, один из которых требует больших затрат энергии и дает кристаллический монокристалл кремния или моно (sc-Si) и поликристаллический, а другой состоит из тонкопленочных солнечных элементов, наиболее финансируемых. это аморфный кремний, медь-индий-диселенид, медь-галлий-диселенид, медь-индий-галлий-диселенид и кадмий-теллурид, которые достаточно тонкие, чтобы быть гибкими.Кристаллические кремниевые фотоэлементы преобразуют весь видимый спектр и часть инфракрасного излучения солнечного излучения в электричество, как показано на рис. 7.18, с более длинными волнами без достаточной энергии для возбуждения электронов в полупроводнике фотоэлектрического устройства, тогда как аморфные элементы работают в более узкий диапазон, не заготовка в инфракрасном диапазоне.

Рисунок 7.18. Спектральный отклик аморфного (a-Si) и поликристаллического (Poly) кремния (Sirisamphanwong & amp; Ketjoy, 2012).

Наиболее важной характеристикой фотоэлементов является эффективность ( η _el ) в преобразовании солнечного излучения в электрическую энергию, при этом sc-Si занимает первое место в рейтинге.Вторым важным фактором для PV / T является температурный коэффициент ( β ). В регионах, где элементы работают при высоких температурах, что является обычным явлением в местах с высоким уровнем солнечного излучения и температур, происходит более интенсивное ухудшение не только эффективности преобразования, но и срока их службы. Как утверждают Макки и др. (2015), мощность фотоэлектрической панели уменьшается с повышением температуры из-за темнового тока насыщения p − n-перехода, который вызывает линейное уменьшение напряжения холостого хода, несмотря на увеличение тока.Более того, поскольку конструкция фотоэлектрических модулей имеет ряд ячеек, соединенных последовательно для получения необходимого значения напряжения, выходное напряжение увеличивается по мере уменьшения тока, чтобы минимизировать омические потери. Поскольку результирующий ток в последовательной цепочке определяется ячейкой, имеющей наименьший ток, эта ячейка будет иметь самую высокую температуру и ограничит эффективность всей цепочки. В конце концов, поддержание низкой и однородной температуры по всей струне поможет сохранить ее высокие характеристики.Таким образом, охлаждение фотоэлектрического модуля путем отвода ненужного тепла является задачей тепловой части фотоэлектрического модуля.

Толщина элемента также является важным фактором не только как проблема, связанная с затратами, но также как увеличение массы аккумулирующего тепла, которое необходимо отводить с помощью HTF. Чем тоньше ячейка, тем она гибче и не требует жесткой подложки, как другие типы полупроводников. Однако тепловое воздействие на PV / T-клетки делает его анализ более сложным, чем в других пассивных коллекторах.

О пригодности диоксида углерода во вторичных контурах принудительной циркуляции | Международный журнал низкоуглеродных технологий

Аннотация

Наблюдается недавний всплеск всеобщего интереса к изучению альтернатив традиционным системам охлаждения DX и использованию природных хладагентов в качестве вторичных жидкостей. Это исследование представляет собой сравнительный анализ диоксида углерода и других рабочих жидкостей для использования во вторичных контурах с принудительной циркуляцией, подходящих для различных систем охлаждения и кондиционирования воздуха.Сравнение проводится на основе одинаковой скорости теплопередачи, падения давления на единицу длины при трении, перепада / повышения температуры вторичной жидкости и средней разницы температур между вторичной жидкостью и стенкой трубы теплообменника. Используя коэффициент трения и корреляции теплопередачи, получены уравнения для отношения диаметров, отношения площадей, отношения масс и отношения мощности накачки. Результаты показывают, что использование диоксида углерода вместо других обычных вторичных жидкостей, кроме воды, приводит к компактным и легким теплообменникам, несмотря на работу контуров на основе диоксида углерода при высоком давлении.Необходимая мощность откачки также намного меньше в случае двуокиси углерода по сравнению со всеми другими жидкостями для широкого диапазона рабочих температур. Хотя результаты представлены здесь только для случая охлаждения, расчеты показывают аналогичные тенденции и для конфигурации нагрева. Углекислый газ, по-видимому, является отличной вторичной жидкостью для широкого спектра применений в холодильном оборудовании и кондиционировании воздуха, и может оказаться разрушительной технологией для таких применений ввиду его безвредного воздействия на окружающую среду.

1 ВВЕДЕНИЕ

Синтетические хладагенты постепенно сокращаются во всем мире для борьбы с двойной угрозой истощения озонового слоя и глобального потепления. Задача достижения целостной экологической безопасности способствовала появлению в последнее время естественных хладагентов как более щадящих рабочих жидкостей в системах охлаждения и отопления. Некоторые природные хладагенты вновь обретают свою важность и находятся на пути возрождения. Однако многие из этих естественных хладагентов либо токсичны, либо горючие, либо и то, и другое.В таких случаях желательно уменьшить количество хладагента, используемого в системе, и ограничить хладагент помещением хладагента. Добавление вторичного жидкостного контура для передачи тепла между холодильной установкой и охлаждаемым помещением выполняет обе эти цели. Уменьшение количества используемого хладагента также приводит к более быстрой откачке и размораживанию. Вторичные контуры жидкости широко используются в различных системах охлаждения, кондиционирования воздуха и отопления [1–4]. Заметен недавний всплеск всеобщего интереса к изучению альтернатив традиционным системам охлаждения DX и использованию природных хладагентов в качестве вторичных жидкостей.Традиционно используемые вторичные жидкости — это вода, рассолы, гликоли, спирты и т. Д. Недавние исследования показывают, что двуокись углерода также может использоваться в качестве альтернативной вторичной жидкости; это экологически безвредная природная рабочая жидкость без потенциала разрушения озонового слоя и незначительного потенциала глобального потепления. Кроме того, он недорогой, невзрывоопасный, негорючий и широко распространенный в природе. В дополнение к этим преимуществам, благодаря определенным благоприятным теплофизическим свойствам и работе, близкой к критической, вторичные контуры на основе диоксида углерода предлагают много преимуществ по сравнению с обычными рабочими жидкостями [5–8].Однако, в отличие от других обычных вторичных жидкостей, вторичные контуры на основе диоксида углерода работают при очень высоких давлениях, что требует компонентов, способных выдерживать высокие давления. Следовательно, может быть важно оценить размер и вес систем на основе диоксида углерода по сравнению с обычными жидкостями. Размер и вес влияют не только на начальную стоимость, но и становятся важными при рассмотрении таких приложений, как мобильное охлаждение и кондиционирование воздуха. Хотя Винклер и др. .[7] и Ядав и др. . [9] сравнили диоксид углерода и воду во вторичных контурах с принудительной и естественной циркуляцией, соответственно, и показали преимущества диоксида углерода, никаких сравнений с точки зрения размера и веса компонентов не приводится. Киран Кумар и Рам Гопал [10] сравнили углекислый газ с некоторыми коммерческими вторичными жидкостями с точки зрения размера и веса компонентов только для контуров естественной циркуляции. В настоящем исследовании проводится сравнение диоксида углерода и нескольких других жидкостей с точки зрения требуемых размеров и веса теплообменника для большого диапазона температур.Хотя углекислый газ может использоваться как в контурах естественной, так и принудительной циркуляции, в данной работе рассматриваются только контуры принудительной циркуляции.

2 ВТОРИЧНЫЕ ЖИДКОСТИ, РАССМОТРЕННЫЕ В НАСТОЯЩЕМ ИССЛЕДОВАНИИ

В этом исследовании проводится сравнение различных вторичных жидкостей в диапазоне рабочих температур от –30 до –15 ° C, от –15 до 0 ° C и от 0 до + 15 ° C. Чтобы соответствовать этому диапазону температур, рассматривается выбор вторичных жидкостей (таблица 1) с различными концентрациями в воде (www.fchart.com/ees/ees.shtml, http://www.ipu.dk/English/IPU-Manufacturing/Refrigeration-and-energy-technology/Downloads/CoolPack.aspx).

Таблица 1.

Список вторичных жидкостей с концентрацией для различных температурных диапазонов.

9027 9027 9027 9027 Syltherm XLT

9027 9027 9027 9027 Syltherm XLT

9027 9027

9027 9027 9027 9027 Syltherm XLT

9027 9027 9027 9027 Syltherm XLT

9027 9027

Таблица 1.

Список вторичных жидкостей с концентрацией для различных температурных диапазонов.

9027 9027 9027 9027 Syltherm XLT

9027 9027 9027 9027 Syltherm XLT

9027 9027

9027 9027 9027 9027 Syltherm XLT

9027 9027 9027 9027 Syltherm XLT

9027 9027

3 КОНСТРУКТИВНЫЕ РАССМОТРЕНИЯ И СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ

Как показано на рисунке 1, вторичный контур состоит из холодного теплообменника, горячего теплообменника, насоса и трубопроводов.Вторичная жидкость, протекающая через вторичный контур, отбирает тепло из охлаждаемого пространства в горячем теплообменнике и отводит это тепло хладагенту в холодном теплообменнике (испарителе холодильной установки). Поскольку насос используется для циркуляции вторичной жидкости, для работы насоса требуется дополнительная мощность, превышающая потребляемую мощность, необходимую для работы холодильной установки. Кроме того, введение вторичного контура в систему охлаждения требует дополнительного теплообменника, трубопроводов и изоляции.При проектировании вторичного контура следует учитывать такие факторы, как подводимая к насосу мощность, размер трубопровода, изоляция и размеры теплообменника.

Рисунок 1.

Схема вторичного контура с принудительной циркуляцией.

Рисунок 1.

Схема вторичного контура с принудительной циркуляцией.

В этой работе сравниваются разные жидкости для одинаковой скорости теплопередачи, повышения / понижения температуры вторичной жидкости, средней разницы температур между горячими и холодными жидкостями в теплообменниках и одинакового падения давления на единицу длины.Учитывая одинаковое падение давления на единицу длины, диаметр трубок не сохраняется.

Чтобы установить простую связь между различными жидкостями, используются следующие уравнения:

Массовый расход ( м ) вторичной жидкости,

$$ m = \ displaystyle {Q \ over {(C _ {\ rm p} \ Delta T)}} $$

(1) где Q — требуемая скорость теплопередачи, C _p — удельная теплоемкость, а Δ T — повышение / падение температуры вторичной жидкости в горячем и холодный теплообменник.{\ displaystyle {1 \ over 8}} $$

(6) Как упоминалось ранее, в этом исследовании проводится сравнение двух выбранных жидкостей для идентичных количеств следующих параметров: скорость теплопередачи (например, Q ₁ = Q ₂ ), повышение / падение температуры вторичной жидкости в теплообменниках (т.е. Δ T ₁ = Δ T ₂ ), средняя разница температур между вторичной жидкостью и стенкой трубы в теплообменники (т.е. Δ T _{м , 1} = Δ T _{м, 2} ) и падение давления на единицу длины (т.е.{\ displaystyle {1 \ over 8}} $$

(7)

Таким образом, отношение диаметров ( D _r ) для случая, представленного выше, зависит только от свойств жидкости.

Теперь при тех же условиях, что указаны выше, можно получить соотношение требуемой площади теплопередачи теплообменников на стороне вторичной жидкости. Здесь для простоты предполагается, что вторичная жидкость течет по круглым трубкам как в горячих, так и в холодных теплообменниках. Поскольку фазовый переход во вторичной жидкости не учитывается, коэффициент теплопередачи на стороне вторичной жидкости может быть получен с помощью хорошо известной корреляции Диттуса-Боелтера:

$$ \ displaystyle {{\ alpha d} \ over k} = 0.{n} $$

(8) где α — коэффициент теплопередачи, k — теплопроводность, Pr — число Прандтля. Показатель степени n принимает значение 0,4 для нагрева и 0,3 для охлаждения. Применяя те же условия, что и раньше (т. Е. Идентичные Q, Δ T, Δ T _m и Δ p / L ), легко показать, что отношение коэффициентов конвективной теплопередачи для вторичных жидкостей 1 и 2 определяется выражением:

$$ \ displaystyle {{\ alpha _1} \ over {\ alpha _2}} = \ left ({\ displaystyle {{d_2} \ over {d_1}}} \ right) ^ {1.{0.5} {\ rm (\, for} \, {\ rm охлаждение)} $$

(10) Поскольку скорость теплопередачи определяется как | $ Q = \ alpha A \ Delta T _ {\ rm m} $ | ⁠, и поскольку Q и Δ T _м сохраняются одинаковыми для всех жидкостей, соотношение площадей ( A ) просто обратное коэффициенту коэффициента теплопередачи, выраженному как:

$$ A_r = \ displaystyle {{A_1} \ over {A_2}} = \ displaystyle {{\ alpha _2} \ over {\ alpha _1}} $$

(11) Внутренняя область | $ A = \ pi dL $ | ⁠, отношение длин теплообменника L _r = (L ₁ / L ₂ ) определяется по формуле:

$$ L _ {\ rm r} = \ displaystyle {{L_1} \ over {L_2}} = \ left ({\ displaystyle {{A_1} \ over {A_2}}} \ right) \ left ({\ displaystyle {{d_2} \ over {d_1}}} \ right) = \ displaystyle {{ A _ {\ rm r}} \ over {D _ {\ rm r}}} $$

(12) Следовательно, отношение масс вторичной жидкости определяется как:

$$ M _ {{\ rm r \ _f}} = \ слева ({\ displaystyle {{m _ {{\ rm f} 1}} \ over {m _ {{\ rm f} 2}}}} \ right) = \ left ({\ displaystyle {{d_1} \ over {d_2}}} \ right) ^ {\! 2} \! \ left ({\ displaystyle {{L_1} \ over {L_2}}} \ right) \ left ({\ displaystyle {{\ rho_1} \ over {\ rho_2}}} \ right) $$

(13) Предполагая идентичные Материал стенки трубы (медь) для всех жидкостей, массовое отношение неизолированной трубы, рассчитанное на основе толщины стенки, необходимой для выдерживания рабочего давления, определяется следующим образом:

$$ M _ {{\ rm r \ _b}} = \ left ({ \ displaystyle {{m _ {{\ rm b} 1}} \ over {m _ {{\ rm b} 2}}} \ right) = \ left ({\ displaystyle {{d_1} \ over {d_2}}}) \ right) ^ 2 \ left ({\ displaystyle {{L_1} \ over {L_2}}} \ right) \ left ({\ displaystyle {{P_1} \ over {P_2}}} \ right) $$

(14 ) Можно отметить, что указанное выше соотношение масс получено на основе расчетов на прочность, предполагая, что формула тонкого цилиндра применима для труб теплообменника. 2 \ rho_2}} \ right) $$

(15) Наконец, предполагая одинаковую эффективность насоса для всех жидкостей, можно получить соотношение мощности перекачки для вторичного жидкостного насоса ( W _{P, r} ), определяемое по формуле:

$$ W _ {{\ rm P, r}} = \ left ({\ displaystyle {{W_ { {\ rm P}, 1}} \ over {W _ {{\ rm P}, 2}}}} \ right) = \ left ({\ displaystyle {{L_1} \ over {L_2}}} \ right) \ left ({\ displaystyle {{Cp_2} \ over {Cp_1}}} \ right) \ left ({\ displaystyle {{\ rho_2} \ over {\ rho_1}}} \ right) $$

(16)

4 РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Используя эти уравнения, можно рассчитать отношения различных параметров как функцию средней температуры вторичной жидкости.Для сравнения результаты получены при рассмотрении двуокиси углерода в качестве эталонной жидкости (жидкость 2). Считается, что все жидкости, включая диоксид углерода, находятся в переохлажденной жидкой фазе. Для поддержания жидкой фазы диоксида углерода рабочее давление 35 и 51 бар рассматривается для температуры ниже и выше 0 ° C соответственно. Необходимые свойства воды и углекислого газа были рассчитаны с помощью программы Engineering Equation Solver (www.fchart.com/ees/ees.shtml), а для остальных вторичных жидкостей — Cool Pack (http: // www.ipu.dk/English/IPU-Manufacturing/Refrigeration-and-energy-technology/Downloads/CoolPack.aspx). Хотя результаты получены для случаев вторичного охлаждения жидкости, а также для нагрева, результаты представлены здесь только для случая охлаждения.

4.1 Соотношение диаметров трубок теплообменника

На рис. 2 показано изменение соотношения диаметров различных жидкостей в зависимости от рабочих температур. Замечено, что для всех жидкостей диоксид углерода является лучшей жидкостью в диапазоне температур от -30 до -15 ° C.В диапазоне температур от -15 до -10 ° C только рассол Freezium и NaCl имеет отношение диаметров чуть меньше единицы. Для температуры выше 0 ° C некоторые жидкости (Freezium, EG, PG, рассол NaCl и вода) приводят к незначительно меньшему соотношению диаметров до некоторого диапазона температур. Причина, по которой для диоксида углерода требуются трубки меньшего диаметра, может быть связана с его очень низким значением вязкости по сравнению с другими жидкостями. Таким образом, с точки зрения соотношения диаметров CO ₂ кажется лучшей жидкостью для диапазона температур от 0 до -30 ° C.

Рисунок 2.

Изменение соотношения диаметров в зависимости от температуры.

Рисунок 2.

Изменение соотношения диаметров в зависимости от температуры.

4,2 Относительная площадь теплообменника

На рисунке 3 показано изменение отношения площадей для различных жидкостей в зависимости от рабочих температур. Из рисунка видно, что для всех жидкостей требуемая внутренняя площадь больше, чем требуется для двуокиси углерода.Из выражения для отношения площадей очевидно, что это можно объяснить, главным образом, очень низкой вязкостью диоксида углерода. Несмотря на то, что теплопроводность гликолей, рассолов и воды выше, чем у диоксида углерода, гораздо более высокий коэффициент вязкости приводит к увеличению отношения площадей для всех жидкостей. Расчеты показывают, что отношение длин L _r (уравнение 12) также больше единицы для всех жидкостей. Таким образом, использование диоксида углерода вместо других жидкостей представляется предпочтительным, поскольку для этого требуется наименьшая площадь теплопередачи.

Рисунок 3.

Изменение соотношения площадей теплообменника в зависимости от температуры.

Рисунок 3.

Изменение соотношения площадей теплообменника в зависимости от температуры.

4,3 Массовая доля вторичных жидкостей

На рисунке 4 показано изменение отношения масс жидкости в зависимости от рабочих температур. Поскольку для диоксида углерода требуются трубки небольшого диаметра и меньшей длины, внутренний объем трубок с диоксидом углерода намного меньше по сравнению с другими жидкостями; следовательно, массовое отношение жидкостей намного больше единицы для всех жидкостей.Здесь следует отметить, что влияние плотности жидкости на соотношение масс жидкости не очень сильно, поскольку плотность насыщенной жидкости CO ₂ близка к плотности всех других вторичных жидкостей.

Рисунок 4.

Изменение массового отношения вторичной жидкости в зависимости от температуры.

Рисунок 4.

Изменение массового отношения вторичной жидкости в зависимости от температуры.

4,4 Соотношение масс неизолированной трубы на основе расчета прочности

На рис. 5 показано отношение массы неизолированной трубы, полученное на основе расчетов прочности, к температуре.Как упоминалось ранее, по сравнению с CO ₂ рабочее давление всех других вторичных жидкостей, рассмотренных в этом исследовании, намного ниже. Для расчета прочности учитывается абсолютное давление (2 бара) для всех вторичных жидкостей, кроме двуокиси углерода, для всего диапазона температур. Для диоксида углерода абсолютное давление 35 и 51 бар считается для температур ниже и выше 0 ° C соответственно. Поскольку масса неизолированной трубы зависит от среднего диаметра и толщины стенки, видно, что отношение масс неизолированной трубы, основанное на расчетах прочности, меньше единицы для многих жидкостей, особенно при более высоких температурах, как показано на Рисунке 5.При более низких температурах массовые отношения гликолей (EG и PG), Syltherm XLT и Dowtherm Q в неизолированных трубках выше единицы из-за большего среднего диаметра. Хотя рисунок 5 подразумевает, что для других жидкостей масса неизолированной трубы намного ниже, чем у CO ₂ , на практике, как упоминалось ранее, используются трубы со стандартной толщиной стенки, даже если толщина, требуемая для расчета прочности, намного меньше. Если рассматривать стандартные, имеющиеся в продаже трубы для всех жидкостей, то массовое отношение неизолированных трубок будет определяться уравнением (15).Можно легко показать, что рассчитанное таким образом отношение масс неизолированной трубы будет намного больше единицы для большинства вторичных жидкостей.

Рис. 5.

Изменение отношения масс неизолированной трубы (в зависимости от рабочего давления) в зависимости от температуры.

Рис. 5.

Изменение отношения масс неизолированной трубы (в зависимости от рабочего давления) в зависимости от температуры.

4,5 Отношение общей массы (неизолированная труба + внутренняя жидкость)

На рисунке 6 показано изменение отношения общей массы в зависимости от температуры для различных вторичных жидкостей.Здесь общая масса включает массу вторичной жидкости и массу неизолированной трубки, рассчитанную на основе имеющихся в продаже медных трубок (ASTM B88). Для расчета массы коммерческих медных трубок используются трубки M-типа для всех рабочих жидкостей, кроме CO ₂ , поскольку рабочее давление этих жидкостей очень низкое по сравнению с CO ₂ во всем температурном диапазоне. В случае CO ₂ , трубы M-типа с номинальным диаметром 3/8 дюйма используются для температур <0 ° C, а трубы L-типа с номинальным диаметром 3/8 дюйма используются для более высоких температур.На рисунке 6 довольно неожиданно показано, что даже при очень высоком рабочем давлении в случае CO ₂ общая масса намного ниже по сравнению с большинством вторичных жидкостей, рассмотренных в этом исследовании. Только вода обеспечивает незначительно меньшую общую массу по сравнению с CO ₂ для диапазона температур 0–8 ° C. Однако воду нельзя использовать при минусовых температурах. Следовательно, CO ₂ явно лучше всего подходит в качестве вторичной жидкости, поскольку он приводит к компактным и, что интересно, более легким теплообменникам по сравнению с другими традиционными вторичными жидкостями.Здесь следует отметить, что при оценке массы теплообменника внешняя сторона текучей среды не учитывается, поскольку предполагается, что внешняя сторона текучей среды остается одинаковой для всех вторичных текучих сред.

Рисунок 6.

Изменение соотношения масс теплообменника в зависимости от температуры.

Рисунок 6.

Изменение соотношения масс теплообменника в зависимости от температуры.

4,6 Передаточная мощность откачки

Коэффициент мощности накачки, определяемый уравнением (16), зависит от отношения длин, коэффициента удельной теплоемкости и коэффициента обратной плотности.Как упоминалось ранее, отношение длин всех жидкостей больше единицы, тогда как отношение плотностей близко к единице для всех жидкостей. Удельная теплоемкость ( C _p ) CO ₂ ниже, чем у других жидкостей при более низких температурах, за исключением Syltherm XLT и Dowtherm Q. Из-за этих комбинированных эффектов коэффициент мощности откачки всех вторичных жидкостей ниже 0 ° C оказывается больше единицы, как показано на Рисунке 7. Коэффициент мощности откачки некоторых жидкостей (вода, рассол NaCl, EG и Freezium) незначительно меньше единицы для температуры выше 0 ° C.Поскольку рассол NaCl вызывает коррозию, он не может быть подходящей вторичной жидкостью, особенно при более низких температурах. Таким образом, с точки зрения мощности накачки CO ₂ также представляется лучшей вторичной жидкостью в широком диапазоне температур.

Рисунок 7.

Изменение коэффициента мощности накачки в зависимости от температуры.

Рисунок 7.

Изменение коэффициента мощности накачки в зависимости от температуры.

5 ВЫВОДЫ

Наблюдается недавний всплеск всеобщего интереса к изучению альтернатив традиционным системам охлаждения DX и использованию природных хладагентов в качестве вторичных жидкостей.Это исследование представляет собой сравнительный анализ диоксида углерода и других рабочих жидкостей для использования во вторичных контурах с принудительной циркуляцией, подходящих для различных систем охлаждения и кондиционирования воздуха. Сравнение проводится на основе равной скорости теплопередачи, падения давления на единицу длины при трении, перепада / повышения температуры вторичной жидкости и средней разницы температур между вторичной жидкостью и стенкой трубы. Используя простые коэффициенты трения и корреляции теплопередачи, получают простые уравнения для отношения диаметров, отношения площадей, отношения масс и отношения мощности накачки.Результаты представлены для случая турбулентного течения и заметного охлаждения вторичной жидкости (в жидкой фазе). Результаты ясно показывают, что использование диоксида углерода приводит к созданию компактных и, вопреки ожиданиям, легких теплообменников, несмотря на очень высокое рабочее давление. Также обнаружено, что необходимая мощность откачки для CO ₂ намного меньше по сравнению с другими жидкостями в широком диапазоне рабочих температур. Хотя здесь представлены результаты только для случая охлаждения, расчеты показывают, что аналогичные выводы можно сделать и для случая нагрева.Хотя стоимость изоляции соединительных труб в данном исследовании не рассматривается, поскольку для диоксида углерода требуются трубы меньшего диаметра при таком же падении давления на трение на единицу длины, стоимость изоляции труб в системах на основе диоксида углерода должна быть ниже по сравнению с другими жидкостями. . Углекислый газ, по-видимому, является отличной вторичной жидкостью для широкого спектра применений в холодильном оборудовании и кондиционировании воздуха, и может оказаться разрушительной технологией для таких применений ввиду его безвредного воздействия на окружающую среду.

БЛАГОДАРНОСТИ

Исследование проводилось в рамках проекта, спонсируемого Отделом заочных исследований Совета научных и промышленных исследований (CSIR) правительства Индии. Благодарим за финансовую поддержку, оказанную CSIR.

ССЫЛКИ

1,,.

Обзор систем охлаждения с вторичным контуром

,

Int J Refrig

,

2010

, vol.

33

(стр.

212

—

34

) 2,,.

Влияние характеристик теплообменника на конструкцию системы косвенного геотермального отопления

,

Energy Build

,

2004

, vol.

36

(стр.

9

—

14

) 3.

Холодильные системы с минимальной заправкой хладагента

,

Appl Therm Eng

,

2007

, vol.

27

(стр.

1693

—

701

) 4,.

Формиат калия в качестве вторичного хладагента

,

Int J Refrig

,

1997

, vol.

20

(стр.

276

—

82

) 5.

Разработка диоксида углерода в качестве летучего вторичного теплоносителя для замены гликолей

,

2004

6-я конференция IIR-Gustav Lorentzen Natural Working Fluids Conference

Глазго, Великобритания

6.

Система охлаждения Nh4 / CO2 для супермаркетов с CO2 в системе охлаждения и секция замораживания

,

2004

6-я Конференция IIR-Gustav Lorentzen Natural Working Fluids

Глазго, Великобритания

7,,.

Необычные свойства диоксида углерода в качестве вторичного хладагента

,

2007

22-й Международный конгресс по холодильному оборудованию (IIF / IIR)

Пекин, Китай

8.

Вторичные жидкости для низких рабочих температур

,

2004

6-й IIR -Gustav Lorentzen Конференция по естественным рабочим жидкостям

Глазго, Великобритания

9,,.

CO _{2 Петли естественной циркуляции на основе} : новые соотношения для трения и теплопередачи

,

Int J Heat Mass Transfer

,

2012

, vol.

55

(стр.

4621

—

30

) 10,.

Двуокись углерода как вторичный флюид в контурах естественной циркуляции

,

Proc Inst Mech Eng E J Process Mech Eng

,

2009

, vol.

223

(стр.

189

—

94

)

© Автор, 2012. Опубликовано Oxford University Press.

Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями некоммерческой лицензии Creative Commons Attribution (http: // creativecommons.org / licenses / by-nc / 3.0 /), который разрешает некоммерческое повторное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии правильного цитирования оригинальной работы. По вопросам коммерческого повторного использования обращайтесь по адресу [email protected]

Рекомендации по проектированию

при использовании тепловых трубок

Джордж Мейер, Celsia Inc.

Введение

Эта статья предназначена для предоставления рекомендаций по проектированию при использовании тепловых трубок для наиболее распространенных типов электронных приложений: от мобильных до встроенных вычислений и серверные приложения с рассеиваемой мощностью от 15 Вт до 150 Вт при размерах кристаллов процессора от 10 до 30 мм.Обсуждение ограничено этими условиями, поскольку приведенные рекомендации не обязательно применимы к приложениям силовой электроники. Кроме того, обсуждение сосредоточено на наиболее распространенном типе тепловых трубок, , то есть на медной трубке со спеченным медным фитилем, использующим воду в качестве рабочей жидкости. Статья также не предназначена для предоставления подробного анализа правильной конструкции тепловых трубок и радиаторов, а скорее для предоставления рекомендаций по количеству и размеру используемых тепловых трубок, а также для предоставления рекомендаций по оценке размера радиатора и определения методов крепления. радиатора к печатной плате.Поскольку в этой статье не рассматриваются основы работы с тепловыми трубками, для тех читателей, которые не знакомы с этой технологией, можно найти хорошие обзоры в [1-4].

В качестве помощи: Рисунок 1 служит для обзора конструкции тепловой трубы и принципа ее работы. На внутренние стенки трубы наносится фитильная структура (спеченный порошок). Жидкость (обычно вода) добавляется в устройство и закрывается под вакуумом, после чего фитиль распределяет жидкость по всему устройству.Когда к зоне испарителя подводится тепло, жидкость превращается в пар и перемещается в зону с более низким давлением, где она охлаждается и возвращается в жидкую форму. Затем капиллярное действие перераспределяет его обратно в секцию испарителя.

Рис. 1. Конструкция тепловых трубок и принцип работы.

Применение тепловых трубок следует рассматривать, когда тепловая конструкция ограничена теплопроводностью или когда нетепловые цели, такие как вес, не могут быть достигнуты с другими материалами, такими как твердый алюминий и / или медь.При проектировании тепловых трубок необходимо учитывать следующие факторы:

• Эффективная теплопроводность
• Внутренняя структура
• Физические характеристики
• Радиатор

и обсуждаются в следующих разделах.

1.0 Эффективная теплопроводность

Регулярно публикуемые данные по теплопроводности тепловых труб обычно составляют от 10 000 до 100 000 Вт / м · К [4].Это в 250-500 раз больше теплопроводности твердых меди и алюминия соответственно. Однако не стоит полагаться на эти цифры для типичных электронных приложений. В отличие от твердого металла, эффективная теплопроводность медных тепловых трубок сильно зависит от длины тепловой трубки и, в меньшей степени, от других факторов, таких как размер испарителя и конденсатора, а также количество передаваемой энергии.

На рисунке 2 показано влияние длины на эффективную теплопроводность тепловой трубы.В этом примере три тепловые трубки используются для передачи тепла от источника питания мощностью 75 Вт. В то время как теплопроводность 10000 Вт / мК достигается при длине тепловых трубок чуть менее 100 мм, длина 200 мм составляет менее одной трети обычно публикуемой максимальной теплопроводности, составляющей 100000 Вт / мК. Как видно из расчета эффективной теплопроводности в уравнении (1) , эффективная длина тепловой трубы является функцией адиабатической длины, длины испарителя и конденсатора:

K _eff = QL _eff / (A ΔT) ( 1)

где:

K _eff = эффективная теплопроводность [Вт / м.K]

Q = передаваемая мощность [Вт]

L _eff = эффективная длина = (испаритель L + конденсатор L ) / 2 + L _{адиабатический} [м]

A = площадь поперечного сечения [м ² ]

ΔT = разница температур между секциями испарителя и конденсатора [° C]

Рис. 2. Измеренная эффективная теплопроводность тепловой трубы в зависимости от длины.

2.0 Внутренняя структура

Данные о производительности тепловых трубок, указанные поставщиком, обычно подходят для стандартных приложений, но могут быть ограничены для специального использования.Даже если ограничить текущее обсуждение версиями из меди / воды / спеченного фитиля, настройка тепловых трубок может заметно повлиять на эксплуатационные и рабочие характеристики.

Изменения внутренней структуры тепловой трубки, в первую очередь пористости и толщины фитиля, позволяют настраивать тепловые трубки в соответствии с конкретными рабочими параметрами и рабочими характеристиками. Например, когда тепловая труба заданного диаметра должна работать при более высоких нагрузках или против силы тяжести, капиллярное давление в фитиле должно увеличиваться.Для более высокой пропускной способности (Q _max ) это означает больший радиус пор. Для эффективной работы против силы тяжести (конденсатор ниже испарителя) это означает меньший радиус пор и / или увеличенную толщину фитиля. Кроме того, можно изменять как толщину фитиля, так и пористость по длине одной трубки. Поставщики, специализирующиеся на изготовлении тепловых трубок, будут регулярно использовать медные порошки и / или уникальные оправки, изготовленные по индивидуальному заказу, чтобы конечный продукт отвечал требованиям приложений.

3.0 Физические характеристики

В случае тепловых трубок размер обычно имеет наибольшее значение. Однако изменение внешнего вида приведет к ухудшению характеристик любой данной тепловой трубы, то есть к сплющиванию и изгибу, в дополнение к влиянию силы тяжести.

3.1 Сплющивание

Таблица 1 показывает Q _max для наиболее распространенных размеров тепловых труб в зависимости от диаметра. Как отмечалось ранее, Q _max может отличаться от производителя стандартных тепловых трубок.Таким образом, для обеспечения сопоставления данных, представленных в таблице 1 , она взята из проекта, в котором принимал участие автор.

Примечание. * Горизонтальная работа, ** Используется более толстый фитиль по сравнению с тепловыми трубками от 3 до 6 мм.

Как правило, сплющенные медные тепловые трубки можно сплющить максимум до 30–60% от их первоначального диаметра. Некоторые могут возразить, что более реалистична нижняя фигура, прежде чем осевая линия начнет сжиматься, но на самом деле это зависит от техники.Например, цельные паровые камеры, которые начинают свою жизнь как очень большая тепловая труба, можно сузить до 90%. В связи с этим автор хотел бы предоставить эмпирическое правило того, насколько производительность будет ухудшаться при уменьшении толщины на каждые 10%, но это было бы безответственно. Почему? Ответ сводится к тому, сколько избыточного парового пространства доступно до того, как тепловая трубка будет сплющена.

Проще говоря, для наземных тепловых трубок важны два предела производительности: предел фитиля и предел пара.Предел фитиля — это способность фитиля транспортировать воду из конденсатора обратно в испаритель. Как уже упоминалось, пористость и толщину фитиля можно настроить для конкретных применений, что позволяет изменять Q _max и / или способность работать против силы тяжести. Предел пара для конкретного применения зависит от того, сколько места доступно для движения пара от испарителя к конденсатору.

Фитиль (красная) и линия пара (синяя) на рис. 3 обозначают соответствующие пределы для различных размеров тепловых труб, показанных в таблице Таблица 1 .Меньший из этих двух пределов определяет Q _max , и, как показано, предел парообразования превышает предел фитиля, хотя и незначительно для 3-миллиметровой тепловой трубки. По мере того, как тепловые трубы сплющиваются, площадь поперечного сечения, доступная для движения пара, постепенно уменьшается, эффективно смещая ограничение пара. Пока предел парообразования превышает предел фитиля, Q _max остается неизменным. В этом примере мы решили сплющить тепловые трубки в соответствии со спецификациями Таблица 1 .Как видно из предела парообразования плоской трубы (зеленая пунктирная линия) на , рис. 3 , предельное значение паров ниже предела фитиля, что снижает Q _max . Сглаживание 3 мм только на 33% приводит к тому, что предел парообразования становится определяющим фактором, тогда как 8-миллиметровая труба должна быть сглажена более чем на 60%, чтобы это произошло.

Примечание. Если не указано иное, диаметр тепловой трубы является круглым. Рис. 3. Измеренные пределы производительности тепловой трубы в зависимости от геометрии, фитиля и пределов пара.

3.2 Изгибание

Изгиб тепловой трубки также повлияет на максимальную пропускную способность, для чего следует иметь в виду следующие практические правила. Во-первых, минимальный радиус изгиба в три раза больше диаметра тепловой трубы. Во-вторых, каждые 45 градусов изгиба уменьшают Q _max примерно на 2,5%. Из Таблица 1 , 8-миллиметровая тепловая трубка, сплющенная до 2,5 мм, имеет Q _max 52 Вт. Изгиб на 90 градусов приведет к дальнейшему уменьшению на 5%.Новый Q _max будет 52 — 2,55 = 49,45 Вт. Дополнительная информация о влиянии изгиба на характеристики тепловой трубы приведена в [5].

3.3 Работа против силы тяжести

На рисунке 4 показано, как относительное положение испарителя и конденсатора может повлиять как на Q _max , так и на выбор тепловой трубы. В каждом случае Q _max уменьшается примерно на 95% от одного крайнего положения к другому. В ситуациях, когда конденсатор должен располагаться ниже испарителя, используется спеченный материал для уменьшения радиуса пор и / или увеличения толщины фитиля.Например, если 8-миллиметровая тепловая трубка оптимизирована для использования против силы тяжести (-90 ^° ), ее Q _max можно увеличить с 6 Вт до 25 Вт.

Примечание: испаритель над конденсатором = -90 ° Рис. 4. Измеренный эффект характеристик круглой тепловой трубы в зависимости от ориентации и диаметра.

4.0 Выбор тепловых трубок

Следующий пример, обобщенный в Таблице 2 , представлен, чтобы проиллюстрировать, как тепловые трубки могут быть использованы для решения тепловой проблемы для источника тепла мощностью 70 Вт с размерами 20 мм x 20 мм и один изгиб тепловой трубы на 90 градусов, необходимый для передачи тепла от испарителя к конденсатору.Кроме того, тепловые трубки будут работать в горизонтальном положении.

Для максимальной эффективности тепловые трубки должны полностью закрывать источник тепла, ширина которого в данном случае составляет 20 мм. Из таблицы 1 следует, что есть два варианта: три круглые трубы диаметром 6 мм или две плоские трубы диаметром 8 мм. Помните, что три конфигурации размером 6 мм будут размещены в монтажном блоке с промежутком 1-2 мм между тепловыми трубками.

Тепловые трубки могут использоваться вместе для распределения тепловой нагрузки. Конфигурация 6 мм имеет Q _max 114 Вт (3 x 38 Вт), а конфигурация с плоским 8 мм имеет Q _max 104 Вт (2 x 52 Вт).

Это просто хорошая практика проектирования — предусмотреть запас прочности, и обычно рекомендуется использовать 75% номинального Q _max . Поэтому выберите 85,5 Вт для 6 мм (75% x 104 Вт) и 78 Вт для 8 мм (75% x 104 Вт)

Наконец, необходимо учесть влияние изгиба. Изгиб на 90 градусов уменьшит Q _max каждой конфигурации еще на 5%. Таким образом, результирующая величина Q _max для конфигурации 6 мм составляет чуть более 81 Вт, а для конфигурации 8 мм — 74 Вт, что выше, чем у источника тепла мощностью 70 Вт, который должен быть охлажден.

Как видно из этого анализа, обе конфигурации тепловых трубок подходят для передачи тепла от испарителя к конденсатору. Так зачем выбирать одно вместо другого? С механической точки зрения это может просто сводиться к высоте батареи радиатора на испарителе, то есть конфигурация 8 мм имеет более низкий профиль, чем конфигурация 6 мм. И наоборот, эффективность конденсатора может быть улучшена за счет ввода тепла в трех местах по сравнению с двумя, что требует использования конфигурации 6 мм.

5.0 Теплоотводы

Существует множество вариантов, от ребер пакета с застежкой-молнией до экструдированных стопок ребер, каждый со своей стоимостью и характеристиками. Хотя выбор радиатора может заметно повлиять на эффективность рассеивания тепла, наибольший прирост производительности для любого типа теплообменника дает принудительная конвекция. В таблице 3 сравниваются преимущества и недостатки ряда радиаторов, некоторые из которых показаны на рис. 5 , рис. 5 .

Рис. 5. Конструкции радиаторов, характеристики которых приведены в таблице 3.

В качестве отправной точки для выбора радиатора можно использовать Уравнение (2) для оценки требуемого объема радиатора для данного приложения:

V = QR _v / ΔT (2)

где: V = объем теплоотвода [см ³ ], Q = рассеиваемое тепло [Вт], R _v = объемное тепловое сопротивление [см ³ — ° C / Вт], ΔT = максимально допустимая разница температур [° C].

Таблица 4 содержит рекомендации по диапазону объемного теплового сопротивления радиатора в зависимости от условий воздушного потока.

Независимо от того, используется ли теплообменник, расположенный локально или удаленно от источника тепла, варианты сопряжения тепловых труб с ними идентичны и включают в себя основание с пазами, монтажный блок с пазами и методы прямого контакта, как показано на рис.

Рисунок 6. Сопряжение конденсатора тепловой трубки.

Само собой разумеется, что просто припаять круглую трубу к плоской поверхности далеко не оптимально.Круглые или полукруглые канавки следует выдавить или обработать механической обработкой в ​​радиаторе. Желательно, чтобы размер канавок был примерно на 0,1 мм больше диаметра тепловой трубки, чтобы оставалось достаточно места для припоя.

Радиатор, показанный на Рис. 6 (a) использует как локальный, так и удаленный радиатор. Экструдированный теплообменник предназначен для размещения слегка сплющенных тепловых трубок, что способствует максимальному контакту между медной монтажной пластиной и источником тепла. Блок ребер с удаленной штамповкой используется для дальнейшего повышения тепловых характеристик.Эти типы теплообменников особенно полезны, потому что трубы могут проходить прямо через центр пакета, уменьшая потери проводимости по длине ребер. Поскольку для этого типа ребер не требуется опорная плита, можно уменьшить вес и стоимость. Опять же, отверстия, через которые монтируются тепловые трубки, должны быть на 0,1 мм больше диаметра трубы. Если бы труба была полностью круглой у источника тепла, потребовалась бы более толстая монтажная пластина с канавками, как показано на Рис. 6 (b)

Если потери проводимости из-за опорной пластины и дополнительного слоя TIM все еще недопустимы, дальнейшее выравнивание Обработка тепловых трубок обеспечивает прямой контакт с источником тепла, как показано на рис. 6 (c) .Повышение производительности за счет этой конфигурации обычно приводит к снижению повышения температуры на 2–8 ° C. В случаях, когда требуется прямой контакт источника тепла с тепловыми трубами, следует рассмотреть возможность установки паровой камеры, которая также может быть установлена ​​напрямую из-за ее улучшенной способности рассеивать тепло.

Основная причина выбора решения с тепловыми трубками — это улучшенная производительность. Таким образом, использование термоленты или эпоксидной смолы в качестве основного средства крепления радиатора к матрице не подходит.Вместо этого с тепловыми трубками часто используются три типа механических приспособлений; все они соответствуют требованиям стандартов MIL-810 и NEBS Level 3 к ударам и вибрации.

Рис. 7. Способы крепления тепловых трубок для небольших (маломощных) радиаторов.

Наконец, типичные методы крепления тепловых трубок для небольших (маломассивных) радиаторов показаны на рис. 7 . На рис. 7 (a) показана штампованная монтажная пластина. Хотя для этого требуется два отверстия в печатной плате, этот метод обеспечивает лучшую защиту от ударов и вибрации по сравнению с термолентой или эпоксидной смолой, а также с некоторым сжатием TIM — с требуемым сжатием до 35 Па. Рисунок 7 (b) показывает подпружиненные пластиковые или стальные нажимные штифты, которые дополнительно увеличивают сжатие TIM примерно до 70 Па. Установка выполняется быстро и просто, но для удаления требуется доступ к задней части печатной платы. Нажимные штифты не должны рассматриваться ни для чего, кроме требований к легким ударам и вибрации. Подпружиненные металлические винты, Рис. 7 (c) , обеспечивают высочайшую степень защиты от ударов и вибрации, поскольку они являются наиболее надежным методом крепления радиатора к кристаллу и печатной плате.Они предлагают самую высокую предварительную нагрузку TIM примерно (520 Па).

Резюме

Было предоставлено руководство по проектированию по использованию медных трубок с тепловыми трубками со спеченным медным фитилем с использованием воды в качестве рабочей жидкости. Как указано выше, при выборе тепловой трубы необходимо учитывать ряд факторов, включая эффективную теплопроводность, внутреннюю структуру и физические характеристики, а также характеристики теплоотвода.

Ссылки

[1] Garner, S.D., «Тепловые трубки для систем охлаждения электроники», ElectronicsCooling , сентябрь 1996 г., https://electronics-cooling.com/1996/09/heat-pipes-for-electronics-cooling-applications/, по состоянию на 15 августа, 2016.

[2] Graebner, JE, «Heat Pipe Fundamentals», ElectronicsCooling , июнь 1999 г., https://electronics-cooling.com/1999/05/heat-pipe-fundamentals/, по состоянию на 15 августа 2016 г.

[3] Загдуди, М.К., «Использование систем охлаждения с тепловыми трубками в электронной промышленности», ElectronicsCooling , декабрь 2004 г., https: // electronics-Cooling.com / 2004/11 / use-of-heat-pipe-cool-systems-in-the-electronics-industry /, по состоянию на 15 августа 2016 г.

[4] Петерсон, Г.П., Введение в тепловые трубы: моделирование, Тестирование и приложения, John Wiley & Sons, Нью-Йорк, США (1994).

[5] Мейер, Г., «Как изгиб влияет на работу тепловых труб и паровой камеры?» Ноябрь 2015 г., http://celsiainc.com/blog-how-does-bending-affect-heat-pipe-vapor-chamber-performance/, по состоянию на 15 августа 2016 г.

[6] Мейер, Г., « Конструктивные особенности при использовании тепловых трубок (Pt.2) », август 2016 г., http://celsiainc.com/design-considerations-when-using-heat-pipes-pt-2/, по состоянию на 15 августа 2016 г.

Джордж Мейер

— ветеран тепловой промышленности с более чем тридцатилетним опытом работы в области управления температурным режимом электроники. В настоящее время он является генеральным директором Celsia Inc., компании по проектированию и производству, специализирующейся на изготовлении нестандартных радиаторов с использованием тепловых трубок и паровых камер. Ранее г-н Мейер проработал в Thermacore двадцать восемь лет на различных руководящих должностях, включая председателя подразделения компании на Тайване.Он имеет более 70 патентов на технологии теплоотвода и тепловых труб и является председателем тепловых конференций Semi-Therm и IMAPS в районе Сан-Франциско.

Контактная информация:

Джордж Мейер
Генеральный директор
Celsia Inc
3287 Кифер Роуд, Санта-Клара, Калифорния, 95051
Эл. Почта : [email protected]

Двигайтесь по потоку: Получите правильную скорость потока с помощью гидроники

Человеческое тело просто потрясающее. У среднего человека 60000 миль кровеносных сосудов.На каждый фунт жира, который вы набираете, тело само создает семь миль новых кровеносных сосудов. Неудивительно, что я устал. Я все время занят созданием семи миль новых кровеносных сосудов.

За вашу жизнь ваше сердце будет перекачивать 48 миллионов галлонов крови (около 2000 галлонов в день). Чтобы получить представление о том, сколько это крови, если вы откроете смеситель на кухне на полную мощность, вам понадобится 60 лет, чтобы вылить столько воды, сколько ваше сердце делает за всю свою жизнь. Другими словами, это 120 000 ванн, полных (или миллион баррелей) крови.

И если в кузове возникает течь, в большинстве случаев он сам устраняется. Если нет, хорошо…

От артерий к капиллярам, ​​затем от капилляров к венам, и все начинается сначала. Только в ваших легких 300 миллионов капилляров.

Ваше сердце будет биться 2,5 миллиарда раз в течение вашей жизни: быстрее, когда вы тренируетесь; медленнее, когда вы отдыхаете. Само собой. К счастью для вас, в вашем свидетельстве о рождении нет даты истечения срока действия, поэтому вы не знаете, когда истечет срок гарантии.

Самое интересное во всем этом то, что ваше тело использует жидкости (в основном воду) для выполнения всей этой работы. Он использует жидкости для нагрева, охлаждения, транспортировки питательных веществ, удаления отходов, транспортировки кислорода и перераспределения энергии. Имеет собственную систему фильтрации и собственное очистное сооружение. Все встроено.

И все это работает только с одним насосом, четырьмя клапанами и какой-то трубкой. Мы можем извлечь из этого урок. Это подводит нас к гидронике.

Hydronics: относящаяся к системе отопления или охлаждения, которая включает передачу тепла циркулирующей жидкостью (например, водой) в замкнутой системе трубопроводов.(Источник: Merriam Webster.)

Похоже на человеческое тело, не так ли?

Вода против воздуха — без конкурса

Почему вода так хорошо работает?

Одна из причин связана с гидравлической природой воды. Закон Паскаля (1650 г. н.э.) гласит, что давление в жидкости передается одинаково во всех направлениях. Например, если я налью воду в закрытый сосуд и приложу давление в любой точке, приложенное давление будет передаваться на все стороны сосуда одинаково и мгновенно.Поэтому, если я слегка надавлю на один конец, вода выскочит из другого конца мгновенно и с очень небольшими затратами энергии.

Швейцарский физик Даниэль Бернулли, появившийся примерно через 100 лет после Паскаля, добавил, что уменьшение давления вызовет увеличение скорости жидкости, происходящей одновременно по всей длине трубы. Уменьшите давление, переместите воду. Швейцарцы такие умные! Также важно отметить, что именно швейцарцы изобрели дырочки в сыре, что значительно снизило их количество калорий и значительно снизило стоимость доставки.

Вторая причина, по которой вода так хорошо работает, — это ее способность сохранять тепло. Это мы можем измерить с помощью удельной теплоемкости, то есть количества тепла, необходимого для повышения температуры некоторого количества вещества на один градус.

Каждое вещество имеет разную удельную теплоемкость. Например…

· Вода имеет удельную теплоемкость 1. Требуется 1 BTU, чтобы поднять 1 фунт воды на 1 ° F.

· Воздух имеет удельную теплоемкость 0,24. Требуется 0,24 БТЕ, чтобы поднять 1 фунт воздуха на 1 ° F.

Следовательно, вода имеет более высокую удельную теплоемкость, чем воздух. Давайте воспользуемся диаграммой 1, чтобы сравнить «способность к переносу энергии», или ETC, воды в воздух, рассчитанную путем умножения удельной теплоемкости вещества на его плотность (фунтов на кубический фут).

· Для воды , если я умножу ее удельную теплоемкость (1) на ее плотность (фунты / фут3), она будет равна ETC 62,4. Это означает, что кубический фут воды может переносить 62,4 БТЕ тепла, которое было поднято на 1 ° F.

· Для воздуха: , умножая его удельную теплоемкость (0.24) по плотности равняется ETC 0,018. Это означает, что кубический фут воздуха может переносить 0,018 БТЕ тепла при повышении температуры на 1 ° F.

Если разделить 62,4 на 0,018, получится 3467. Это означает, что вода в 3467 раз лучше переносит тепло, чем воздух. Так что, если бы я хотел транспортировать 1 БТЕ в 1 ведро, мне понадобилось бы 3467 ведер воздуха, чтобы сделать то же самое.

Вот почему они называют это «принудительным воздухом».

Никто не возьмет 3467 ведер с чем-либо, не говоря уже о воздухе. Их нужно будет «заставить» сделать это.Задумайтесь об этом на мгновение. Разве вы не делаете изоляцию, задерживая воздух? Тогда зачем использовать изоляционный материал для отвода тепла? Вам понадобится IQ. сладкого картофеля, чтобы даже подумать об этом.

Практический пример

Представим, что вы сидите в гостиной и смотрите «Остров Гиллигана», чтобы определить, кто выглядит лучше, Мэри Энн или Джинджер. Вам становится холодно, потому что вы не двигались два дня. Вам понадобится пара ведер БТЕ.Вы храните ведра с БТЕ в котле внизу в подвале, поэтому хотите перенести их в гостиную.

Вы обращаетесь к своему личному консьержу, мистеру Термостату, и говорите: «Мне срочно нужна пара ведер БТЕ!»

Конечно, мистер Термостат, на самом деле, всего лишь выключатель на стене, который не слышит, так что вам придется встать с дивана и включить эту немую штуку. Щелкните. Мистер Бойлер теперь отправляет пару ведер БТЕ за-дюйм.трубка. Если бы это был воздух, вам потребовалась бы 8-дюймовая. х 14 дюймов воздуховод, чтобы сделать то же самое. С водой перемещается тепло; не столько с воздухом.

Итак, давайте углубимся. Сколько ведер БТЕ мне нужно и сколько ведер БТЕ я все равно могу отправить по каналу? Вы же не можете положить пять фунтов картофеля в трехфунтовый мешок, верно?

Так как вся труба имеет трение, наша задача — преодолеть трение трубы. Я не могу заставить воду течь слишком быстро, иначе она разрушит трубу.Я не могу сделать поток воды слишком медленным, иначе из раствора будет выходить увлеченный воздух. Обычно поток воды не должен быть медленнее 1,5 футов в секунду и не быстрее 4 футов в секунду. для медной трубы и 8 футов / сек. для трубы PEX. (Оказывается, труба PEX может выдержать серьезные испытания в отделе эрозии, не покидая своего поста.)

Чтобы определить фактический расход — количество «ведер» — я должен сначала провести анализ тепловых потерь, чтобы рассчитать, сколько БТЕ мне нужно. Затем я могу подставить это значение в БТЕ в формулу расхода, чтобы определить требуемый расход в галлонах в минуту (галлонов в минуту):

галлонов в минуту = БТЕ / час ÷ (ΔT x 500).

ΔT (или «Delta T») — это разница температуры подаваемой воды и возвратной воды — обычно 20 ° F. Предположим, моя потребность составляет 100 000 БТЕ. Формула и ее расчет будут такими:

галлонов в минуту = БТЕ / час ÷ (ΔT x 500)

галлонов в минуту = 100,000 ÷ (20 x 500)

галлонов в минуту = 10

Короче говоря, мне нужно 10 галлонов в минуту. Теперь, какой размер трубы мне понадобится для транспортировки 10 галлонов в минуту? Формула исходит от группы физиков из братьев и сестер из Герцогства Гранд Фенвик по имени Бен и Илен Довер.Это выглядит так:

Дин =

Din = внутренний диаметр трубы

В = 4 фута в секунду для меди, 8 футов в секунду для PEX.

галлонов в минуту = 10 в этом примере.

Если вы подставите эти числа в формулу, вы получите 1,1 дюйма. для меди и 0,71 дюйма для PEX. Завершая наши расчеты, мы можем использовать 1 дюйм. медь или ¾-дюйм. PEX.

У нас есть правильный поток и нужная труба — теперь мы готовы к следующему шагу!

Это всего лишь несколько мыслей о том, чтобы «плыть по течению».«Я хотел бы услышать ваши мысли по этому поводу или любые другие идеи, которые могут у вас возникнуть. Не стесняйтесь обращаться ко мне по адресу электронной почты, указанному в самом конце этой статьи.

В завершение этой части я наткнулся на еще одно очень интересное число, когда проводил исследования человеческого тела. Знаете ли вы, что ваше тело теряет 1,5 миллиона клеток кожи в час? Куда они вообще идут?

Это напоминает мне… нам действительно нужно скоро поговорить о качестве окружающей среды в помещении (IEQ). Здания с каждым годом портятся.С уважением и счастливого отопления.

Стив Суонсон — национальный тренер Академии Uponor. Он активно приветствует комментарии читателей, с ним можно связаться по адресу [email protected].

Полностью развернутый трубопровод с теплопередачей

Опубликовано 7 марта 2018 г. — Новости

Введение

Теплообмен — это широко распространенный в природе процесс, который широко используется в инженерных приложениях, поэтому хорошее понимание этого явления позволяет решать различные научные и технологические проблемы.Численное моделирование процессов нагрева и охлаждения при правильном проведении снижает затраты на разработку, повышает безопасность и лежит в основе оптимизации. Цель сегодняшней статьи — представить фундаментальные принципы принудительной конвекции и сравнить наш QuickerSim CFD Toolbox с аналитическим решением полностью разработанного ламинарного потока в трубах с теплопередачей с постоянной величиной магнитного потока.

Конвективный теплообмен

Передача тепла может происходить с помощью одного из трех механизмов — конвекции, теплопроводности или излучения.Конвекция возникает, когда тепло передается в жидкости посредством движения. В зависимости от характера этого процесса конвекцию можно разделить на два типа — естественная (свободная) конвекция и вынужденная конвекция. Первое имеет место, когда движение жидкости обусловлено плавучестью, то есть подъемом вверх, вызванным неравновесным состоянием гравитационных сил, например движение жидкости в чашке, нагретой на ее дне. Последнее происходит, когда жидкость заставляет двигаться внешний источник, такой как вентилятор, и этот механизм теплопередачи, из-за его важности для инженерных приложений, будет центральным элементом сегодняшней статьи.

Ламинарный поток в трубе

Расследуемый случай представляет собой полностью разработанный ламинарный поток, управляемый давлением, также известный как поток Хагена-Пуазейля. Ламинарность потока позволяет предположить, что нет бокового разрыва между слоями жидкости, поэтому компоненты радиальной скорости можно не учитывать. Кроме того, полное развитие потока означает, что профиль продольной скорости не зависит от осевой координаты. Как упоминалось ранее, поток управляется давлением, поэтому осевая скорость жидкости зависит от падения давления в трубе.Объемный расход определяется уравнением Хагена-Пуазейля:

Поскольку во многих инженерных приложениях падение давления редко является входным параметром, а скорее неизвестным параметром, адаптированным для выполнения проектных требований системы, мы введем среднюю осевую скорость на основе желаемого числа Рейнольдса (Re) и объемного расхода. Применение вышеизложенного к уравнению Хагена-Пуазейля дает следующую формулу:

где — средняя скорость, основанная на объемном расходе.Профиль скорости представляет собой параболоид с максимальным значением, вдвое превышающим среднюю скорость на центральной линии, и нулевым значением у стенки. Его раздел представлен ниже:

Теплообмен в ламинарном трубопроводе

Случай является решением уравнения конвекции-диффузии тепловой энергии:

Левая часть уравнения представляет собой конвективную теплопередачу, то есть тепло, передаваемое движением жидкости. Радиальная скорость равна нулю, поэтому первым членом левой части можно пренебречь.Правая часть уравнения отвечает за термодиффузию. Решение уравнения требует определенного наблюдения, которое позволяет отдельно анализировать динамическое поведение потока и перенос тепловой энергии. Поскольку поток является ламинарным, мы можем предположить, что безразмерное число Эккерта, которое представляет собой соотношение между кинетической энергией потока и его движущей силой теплопередачи, достаточно мало, чтобы не учитывать вязкую диссипацию. Следовательно, уравнение тепловой энергии может быть дополнено профилем скорости, определенным в предыдущем разделе.

Условие постоянного значения теплового потока означает, что разница температур между стенкой и жидкостью одинакова. Однако мы уже знаем, что температура жидкости в трубе имеет непостоянное значение. Поэтому мы введем среднюю объемную температуру, обозначенную как:

Предполагая, что локальный градиент температуры и градиент средней объемной температуры в продольном направлении равны и имеют постоянное значение, интегрирование вышеупомянутого уравнения переноса тепловой энергии приводит к следующей формуле для радиального распределения температуры:

где — коэффициент температуропроводности (обозначает теплопроводность, а — удельная теплоемкость жидкости).Средний градиент температуры можно получить, применив желаемый объемный расход и тепловой поток к уравнению сохранения тепла:

Чтобы удовлетворить условию постоянного потока стенки, значение температуры стенки было связано со средним объемным градиентом температуры.

Проверка

Целью дела было доказать, что вычислительный метод 2-го порядка. Это означает, что среднеквадратичная ошибка моделируемого профиля температуры падает квадратично с количеством элементов сетки.Аналитическое решение служило эталоном для расчета погрешности и входным граничным условием для моделирования. Проверка была выполнена для 6 последовательно более мелких расчетных сеток трубы длиной 0,5 метра и диаметром 0,1 метра, внутри которой протекала вода с произвольно выбранным числом Рейнольдса, равным 100, чтобы гарантировать полностью ламинарный поток. Тепловой поток, приложенный к стенкам трубы, был установлен равным 150.

Смоделированные профили температуры (пунктирные линии) сравнивались с аналитическим решением (сплошная линия) при 0.8 длины трубы.

Влияние размера элемента сетки уже заметно, но для количественной оценки скорости сходимости необходимо построить график среднеквадратичной ошибки как функцию линейного числа элементов сетки. Чтобы проверить, действительно ли сходимость является вторым порядком, для осей графика использовалась логарифмическая шкала. Скорость сходимости можно сравнить с построенной линией, которая представляет соответствующую функцию.

Заключительные замечания

Случай проверки показал, что скорость сходимости почти второго порядка.Наиболее вероятная причина такого отклонения — сеточная структура. Сетка была построена из четырехгранных элементов, поэтому масштабирование разрешения сетки не обязательно приводит к равномерному изменению количества элементов в каждом направлении. Кроме того, сердцевина цилиндрической области по геометрическим причинам должна была быть разделена иначе, чем остальная часть внутренней части трубы, что способствовало неравномерности сетки. Еще один аспект, который следует учитывать, — это качество сетки.Из-за аппаратных ограничений тетраэдрические элементы сильно перекошены, что также могло повлиять на общую точность моделирования. Тем не менее, наш случай валидации можно с уверенностью назвать удовлетворительным.

Автор: Роберт Тыкоцки-Кроу

.