Статьи
20 Окт 2011
Теплотехнические возможности любой системы водяного отопления во многом определяются отопительным (нагревательным) прибором. Тепловой поток от теплоносителя передается в помещение через стенку именно отопительного прибора. Коэффициент теплопередачи стенки прибора зависит от многих факторов, которые разделяют на основные и второстепенные. Среди второстепенных факторов всегда называют окраску приборов. При этом среди этих качественных оценок приводятся данные, что окраска прибора может повысить теплопередачу отопительного прибора.
Н.И. Данилов, Я. М. Щелоков, ОУ В ПО Уральский государственный технический университет - УПИ
Конкретными расчетными данными такие оценки, как правило, не подкрепляются. Попытаемся рассмотреть этот вопрос подробнее.
Теплопередача отопительных приборов
Интенсивность теплового потока от отопительного прибора в помещение характеризуют коэффициентом теплопередачи k, который выражает плотность теплового потока на внешней поверхности стенки при температурном перепаде равном единице в Вт/(м2.К)[ккал/(ч.м2.ОС)].
Процесс теплопереноса в помещение осуществляется: от теплоносителя к стенке прибора - конвекцией и теплопроводностью, через стенку - только теплопроводностью, а от стенки в помещение - конвекцией, радиацией и теплопроводностью. Из этих составляющих теплопередачи основной в большинстве случаев принимается конвекция. Причем коэффициент конвективного теплопереноса в слое воздуха помещения значительно меньше, чем в слое теплоносителя (воды). Поэтому сопротивление внешнему теплообмену для отопительного прибора принимается как ограничитель его эффективности [1]. Обычно это преодолевается за счет развития внешней поверхности отопительного прибора. Однако при этом снижается самый важный параметр - коэффициент теплопередачи k. Но рост внешней поверхности прибора увеличивает и возможности воздействия на теплопередачу при окраске прибора. Отсюда так же следует целесообразность рассмотрения данного вопроса.
Основными факторами, определяющими величину k, являются:
■ вид и конструктивные особенности, приданные типу прибора при его разработке;
■ температурный напор при эксплуатации прибора [1].
Вид отопительного прибора позволяет заранее судить о возможной величине коэффициента теплопередачи. На рис. 1 для основных видов приборов [1, 2] показаны области значений коэффициента теплопередачи при одних и тех же температурных условиях. Для гладкотрубных приборов характерны сравнительно высокие, для секционных радиаторов - средние, для конвекторов и ребристых труб - низкие значения коэффициента теплопередачи.
В пределах каждой области значение коэффициента теплопередачи k изменяется в зависимости от конструктивных особенностей прибора того или иного типа. Вторым основным фактором, определяющим величину k в эксплуатационных условиях, является температурный напор At, т.е. разность между температурой теплоносителя tт и температурой окружающей прибор среды tв:
При этом наибольшему температурному напору соответствует наивысшее значение коэффициента теплопередачи (см. пунктирные линии на рис. 1).
Температуру теплоносителя - воды условно принимают как среднеарифметическую между температурой воды, входящей и выходящей из прибора, т.е. tт=tср. Поэтому температурный напор, вычисляемый при среднеарифметическом значении температуры воды, т.е. 
, является относительной расчетной величиной, принимаемой при испытаниях, а затем и при определении необходимой площади нагревательной поверхности конкретного прибора.
Результаты экспериментов по определению коэффициента теплопередачи для каждого нового отопительного прибора обрабатывают в виде эмпирической зависимости:
где m, n, p - экспериментальные числовые показатели, выражающие влияние конструктивных и гидравлических особенностей прибора на его коэффициент теплопередачи; 
- температурный напор при теплоносителе - воде, принимаемый, как сказано выше, исходя из температуры воды, входящей tвх и выходящей tвых из прибора:
- относительный расход воды в приборе, связывающий изменение коэффициента теплопередачи с гидравлическим режимом в приборе и степенью равномерности температурного поля на внешней поверхности прибора.
Относительный расход воды - это отношение действительного расхода воды в конкретном приборе к номинальному расходу, принятому при тепловых испытаниях образцов приборов. При испытании образцов приборов за такой расход принят расход воды 360 кг/ч (0,1 кг/с), поэтому:
В случае использования приведенной выше схемы определения k отопительного прибора влияние его последующей окраски не учитывается.
Среди второстепенных факторов, влияющих на коэффициент теплопередачи приборов систем водяного отопления, отметим расход воды Gпр, включенный в формулу (2). В зависимости от расхода воды изменяются скорость движения со и режим течения воды в приборе, т.е. условия теплообмена на его внутренней поверхности. Кроме того, изменяется равномерность температурного поля на внешней поверхности прибора.
На равномерности температурного поля на внешней поверхности радиаторов отражается также характер циркуляции воды внутри прибора, связанный с местами ее подвода и отведения (вверху или внизу прибора), т.е. способ соединения радиаторов с теплопроводами [1].
Среди прочих второстепенных факторов на коэффициент теплопередачи влияют:
- скорость движения воздуха v у внешней поверхности прибора. При установке прибора у внутреннего ограждения k повышается за счет усиления циркуляции воздуха в помещении;
- конструкция ограждения прибора. Коэффициент теплопередачи уменьшается при переносе свободно установленного прибора в нишу стены. Декоративное ограждение прибора, выполненное без учета теплотехнических требований, может значительно уменьшить k;
- качество обработки внешней поверхности, загрязненность внутренней поверхности, наличие воздуха в приборах и другие эксплуатационные факторы.
И наконец об окраске прибора. Состав и цвет краски могут несколько изменять коэффициент теплопередачи. Краски, обладающие высокой излучательной способностью, увеличивают теплоотдачу прибора и наоборот. Например, окраска цинковыми белилами повышает теплопередачу чугунного секционного радиатора на 2,2%, нанесение алюминиевой краски, растворенной в нитролаке, уменьшает ее на 8,5%. Влияние окраски связано также с конструкцией прибора. Нанесение алюминиевой краски на поверхность панельного радиатора - прибора с повышенным излучением - снижает теплопередачу на 13%. Окраска конвекторов и ребристых труб незначительно влияет на их теплопередачу [1].
Таким образом, за счет окраски прибора, его теплоотдача может изменяться от +2,2% до -13%.
Выбор схемы расчета
При появлении дополнительного слоя на поверхности отопительного прибора толщиной d, м, его удельное термическое сопротивление составит:
где l - коэффициент теплопроводности окрасочного слоя, Вт/(м*К).
Данный параметр Rок должен способствовать некоторому снижению температуры наружной поверхности прибора, tн.
Но наиболее важный фактор, как отмечалось выше, - термическое сопротивление внешнему теплообмену, Rок, которое можно определить как:
где ан - общий коэффициент теплообмена на наружной поверхности отопительного прибора, характеризующий плотность теплового потока при разности температуры tн-tв=1 ОС.
Коэффициент теплообмена ан слагается из коэффициентов лучистого, ал, конвективного, ак, теплообмена и теплопроводности слоя воздуха в помещении.
Запишем в общем виде:
учитывая то, что в нашем случае возможное влияние теплопроводности воздуха в помещении остается неизменным для конкретного отопительного прибора.
Согласно [1], коэффициент конвективного теплообмена ак равен:
Где b- фиксированные численные коэффициенты в условиях конкретного помещения; Dt разность температур, в данном случае между температурой поверхности стенки отопительного прибора, tн и температурой воздуха в помещении, tв.
Следовательно, на величину ак конкретные физические свойства покрасочного покрытия влияние не оказывают.
Коэффициент лучистого теплообмена ал выражает плотность излучения с поверхности отопительного прибора с температурой tнчерез лучепрозрачную среду (воздух) с температурой tв:
где Спр - приведенный коэффициент излучения теплообменивающих поверхностей, Вт/(м2.К4); Тn, Тв - абсолютная температура теплообменных поверхностей, К; в - температурный коэффициент, К3, приближенное его значение находят по формуле, где tн и tвв ОС:
Приведенный коэффициент излучения можно определить по формуле
где с1, с2, с0 - соответственно коэффициенты излучения материала (краски) поверхности отопительного прибора, поверхности строительных материалов помещения, который можно принять равным 4,9 Вт/(м2.К4) [1 ], абсолютно черного тела равный 5,7 Вт/(м2.К4) [3]. В этом случае Спр будет равен:
Для выполнения конкретных численных расчетов приведем в табл. 1 значения ряда тепло-физических свойств материалов, которые используются при изготовлении отопительных приборов поданным [1, 3].
Результаты расчетов
Результаты расчетов по оценке влияния слоя краски (толщина слоя 1, 2, 3 мм) на коэффициент теплопередачи (термического сопротивления) отопительного прибора (радиатора панельного, рис. 1)приведены в табл. 2.
Из данных табл. 2 видно, что использование для окраски отопительных приборов обычной масляной краски снижает коэффициент теплопередачи в среднем не менее, чем на 10%. Это уже заметная величина, которая может снизить температуру наружной стенки отопительного прибора примерно на 5 ОС. Во всех других случаях влияние дополнительного слоя покрытия представляется минимальным, но учитывая, что здесь имеет место сложный теплообмен, в котором важную роль играет передача тепла излучением, сделаем оценку значений коэффициента лучистого теплообмена в зависимости от вида используемого материала для покрытия наружной стенки отопительного прибора (табл. 3).
Из табл. 1 видно, что эмаль и краска масляная обладают более высокой излучательной способностью, чем сталь (окисленная) и тем более полированная. Следовательно, окрашенная поверхность увеличивает теплоотдачу прибора в обогреваемое помещение (см. табл. 3) в среднем на 8-15%. При этом краска алюминиевая практически гасит излучательную способность поверхности прибора.
Из данных табл. 2 и 3 следует, что использование краски масляной, в самом лучшем случае, может сохранить теплоотдачу отопительного прибора или несколько ее снизить (на 2-3%). Использование эмалей с высокой излучательной способностью (типа цинковых белил) может повысить теплопередачу даже на 3-5% (см. выше).
Заключение
Окраску отопительных приборов следует производить по хорошо очищенной металлической поверхности с толщиной слоя краски не более 2-2,5 мм. Учитывая, что тип краски может достаточно сильно изменять коэффициент теплопередачи (до 20%), необходимо создание специальных эмалей для окраски отопительных приборов. Данные материалы должны быть сертифицированы по теплопроводности, Вт/(м.К), и по приведенному коэффициенту излучения теплообменивающихся поверхностей, Вт/(м2.К4). Причем на упаковке данной краски должно быть указание на возможность ее использования для окраски отопительных приборов.
Следует ввести необходимые дополнения в соответствующие СНиП и ТСН, в том числе и требование об исключении использования алюминиевой краски для оборудования отопительных систем, кроме теплоизоляционного покровного слоя.
Литература
1. Сканави А.Н. Отопление: Учебник для техникумов. 2-е изд. М.: Стройиздат, 1988. 416 с.
2. Крупнов Б.А. Отопительные приборы, производимые в России и ближнем зарубежье: Учебное пособие. М.: ИАСВ, 2002. 64 с.
3. Павлов И.И., Федоров М.Н. Котельные установки и тепловые сети: Учебник для техникумов. Изд. 2-е. М.: Стройиздат, 1977. 301 с.
Источник: Журнал «Новости теплоснабжения» № 6, 2005
Начало активности (дата): 20.10.2011 10:25:07
