Естественная циркуляция в системе отопления диаметр труб: все что нужно знать об этом, рекомендации и советы

Дек 19, 1973 Разное

Естественная циркуляция в системе отопления диаметр труб: все что нужно знать об этом, рекомендации и советы

Содержание

Самотечная система отопления одноэтажного дома с естественной циркуляцией: схема и диаметр труб

Частный загородный дом практически не ограничивает хозяина в выборе типа и схемы прокладки отопительных конструкций. Разнообразие вариантов позволяет сформировать систему для строений малых и больших площадей, оборудовать экономный способ получения тепла из самых разных энергоносителей. Оптимальный вариант – самотечная система отопления, особенности и характеристики которой следует рассмотреть подробно.

Принцип действия системы отопления с естественной циркуляцией

Работа выстроена на физических законах. При нагревании плотность и вес воды снижаются, а при остывании показатели возвращаются к стандартным параметрам. Давление в системе почти отсутствует – в формулах теплотехнических расчетов принимается соотношение 1 атм. на 10 м напорного водяного столба. Таким образом, при обустройстве отопительной системы в 2-х этажном строении расчет гидростатического давления показывает не более 1 атм., в одноэтажных не более 0,7 атм. на 10 м напорного водяного столба.

Из-за увеличения объема прогретой жидкости самотечная система отопления частного дома дополняется расширительным баком, который устанавливается на трубе подачи теплоносителя вверху системы. Задача емкости – компенсировать повышение объема воды.

Самоциркулирующая система используется в частных строениях и позволяет выполнять подключения:

  1. К теплым полам. Циркуляционный насос нужен только на водяной контур теплого пола, вся остальная теплосистема будет работать в самотечном режиме. При отключении питания (электричества) комната будет отапливаться посредством радиаторов.
  2. К бойлеру косвенного нагрева воды. В этом случае нет нужды в насосном оборудовании, бойлер ставится в верхней точке всей конструкции, рядом или чуть ниже расширительного бака. При невозможности монтажа бойлера, систему дополняют насосом, который ставится на расширительный бак. Для предупреждения рециркуляции теплоносителя на бак устанавливается обратный клапан.

Физические свойства воды помогают транспортировке жидкости по трубопроводам – при нагревании жидкость устремляется вверх самотеком по разгонному участку трубопровода, а после остывания перемещается от радиаторов обратно в котел. Важно выложить трубопровод с определенным углом наклона, иначе гравитационная циркуляция не будет работать.

Преимущества и недостатки самотечной системы

Популярностью система отопления одноэтажного дома с естественной циркуляцией пользуется из-за простоты монтажа и удобства эксплуатации. Нет необходимости в установке дорогостоящего дополнительного оборудования, не будет расходов на электроэнергию. Поддержание автономности работы отопления – еще один плюс.

К минусам можно отнести только небольшую эффективность конструкции – отопление с принудительной транспортировкой обладает повышенной теплоотдачей. Это достигается за счет ускорения транспортировки нагретого теплоносителя, вода не успевает остывать и доходит в нужном температурном режиме до самых крайних радиаторов. Однако снижение температуры теплоносителя наблюдается в помещениях значительных площадей, а если обустраивается тепловая конструкция в строении малого объема, отопление самотеком является лучшим выбором.

Основные виды гравитационной системы отопления

Различается 4 типа самоциркулирующейся конструкции с гравитационным течением теплоносителя. Выбор варианта зависит от требований хозяина по производительности отопления, материала строения, утепления дома и прочих нюансов.

Определяя, какое лучше делать водяное отопление в частном доме без насоса, требуется выполнить несколько расчетов, принять во внимание технические характеристики источника тепла, просчитать диаметр трубы и составить проект.

Закрытая система

Рекомендуем к прочтению:

Принцип работы такой:

  • Нагрев теплоносителя приводит к вытеснению воды из контура отопления. Под воздействием повышенного давления жидкость перемещается в закрытый расширительный бак с мембраной.
  • В этом баке одна половина заполнена газом, вторая – пустая. Пустая половина заливается прогретым теплоносителем, что приводит к сжатию газообразного вещества.
  • Как только вода остывает, газ снова расширяется и выталкивает из бака воду.

Простое решение пока не набрало популярность, однако возможность полной автономности и поддержания оптимального давления в трубах – явные плюсы варианта, которые пригодятся хозяевам частных домов небольшой площади. Минус конструкции в повышении объема емкости при необходимости прогревать большие помещения, поэтому закрытая система в основном используется в домах площади до 40 м2.

Открытая система

Этот вариант отличается от закрытого лишь конструкцией расширительного бака. Схему можно увидеть в старых строениях, где бак установлен под кровлей или потолком жилого помещения. Емкость можно сделать самостоятельно, но при такой схеме есть риск завоздушивания радиаторов, что снижает эффективность работы системы. Кроме того, кислород в воде приводит к образованию коррозии, появлению дефектов внутри труб и быстрому выходу элементов из строя.

Важно! При открытой системе самотечного отопления необходимо установить радиаторы под определенным углом и оснастить каждую батарею краном Маевского.

Двухтрубная система

Особенности конструкции:

  1. Прокладывается 2 трубы – одна для подачи теплоносителя, вторая для обратки. Подающий трубопровод соединяется входным отводом, обратный подводкой стыкуется с баком и батареей.
  2. Двухтрубная схема систем отопления частного дома с естественной циркуляцией обеспечивает равномерное распределение тепла по помещению.
  3. Нет необходимости добавлять секции батарей, расположенных далеко от бака, чтобы гарантировать прогрев комнаты.
  4. Для контура выбираются трубы меньшего диаметра, регулировать интенсивность подачи теплоносителя и уровень нагрева намного проще.

В 2-х трубной системе можно допустить некоторые отклонения от параметров уклона труб, причем это не скажется на скорости транспортировки теплоносителя. Выполнить работы по силам домашнему мастеру, ошибки в расчетах устраняются в процессе обустройства конструкции.

Однотрубная система

Это простая горизонтальная схема выкладки с одной трубой, которая подключена последовательным образом ко всем батареям. Подача носителя через верхний отвод – отток через нижний, таким образом, вторая батарея получает чуть более остывший носитель, третья – еще более прохладный. От крайнего радиатора обратка возвращается в бак для прогрева.

Обустроить такую самотечную систему не представляет труда, но если количество радиаторов более 3-5 шт., однотрубная система не является целесообразной. Даже если увеличить количество секций последней батареи, температура носителя слишком мала, чтобы обеспечить равномерность отопления.

К достоинствам схемы относят простоту монтажа, экономию средств, а недостаток наблюдается только при установке одной трубы в больших комнатах. Сформировать однотрубную схему в 2-х и более этажных строениях без насоса нельзя – велик риск допустить ошибку в уклонах трубопроводов, из-за чего теплоноситель не будет транспортироваться с нужной скоростью, и строение останется без отопления.

Какое отопление лучше, естественное или принудительное?

Если дом не отличается величиной площадей, насчитывает всего 1 этаж и количество радиаторов не превышает 3-5 шт., самотечная система отопления будет оптимальным решением задачи.

Во всех прочих случаях следует продумать установку циркуляционного насоса, и вот по каким причинам:

Рекомендуем к прочтению:

  • При наличии насоса жидкость быстрее прогревается, достигает положенной температуры в + 50 С, расширяется и начинает циркулировать по системе. То есть прогрев помещений будет более быстрым.
  • При самотечном движении воды теплоноситель в крайнем радиаторе будет остывшим, поэтому число модулей в батарее нужно увеличить, а это дополнительные расходы.
  • Если стоит насос, риск завоздушивания батарей минимальный, даже при формировании открытой системы отопления.

При подключении насоса есть возможность управлять температурой прогрева, интенсивностью подачи теплоносителя в трубы, самотечная система такого не подразумевает.

Правила монтажа системы отопления без насоса

Во всех гравитационных схемах один минус – нет давления в системе, потому нарушения в монтаже приводят к снижению функциональности конструкции. На работу влияют повороты, высокие или низкие уклоны, отсутствие продуманной схемы.

Чтобы сформировать правильную теплосистему, следует обратить внимание на:

  • выкладку уклонов;
  • тип, диаметр трубы;
  • подачу, вид теплоносителя.

Выбор труб и их уклона в системе отопления

Различается несколько видов материала, пригодного для сооружения трубопровода:

  1. Сталь. Это трубы с относительно невысокой стоимостью, но увеличенной теплопроводностью, прочностью. Сталь хорошо переносит разницу давлений, стойко противостоит коррозии. Минус – потребуется сварка.
  2. Металлопластик. Трубы с гладкой внутренней стороной, минимизирующие образование засоров. Малый вес и линейное расширение – плюсы, небольшой срок эксплуатации (15 лет) и высокая цена – минусы.
  3. Полипропилен. Простой монтаж, герметичность, прочность, длительный срок пользования и неподверженность к промерзанию – достоинства труб, а вот цена товара – минус. Следует учитывать, что стыковка осуществляется пайкой, что снижает затраты на монтаж. Срок службы до 25 лет.
  4. Медь. Предельно прочный материал, который выдерживает нагрев до +500 С. Срок пользования от 100 лет, предельная стойкость к коррозии – плюсы. Но очень высокая цена и масса – явные минусы трубопроводов.

Что касается выбора диаметра, то его нужно просчитать так:

  • учесть потребность помещения в тепловой энергии и к конечной цифре добавить 20%;
  • по СНиП найти параметры соотношения мощности теплосети к внутреннему сечению трубы;
  • выбрать в таблице материал, из которого сделаны трубы, принять в расчет стандартные параметры, в частности, для стальных труб диаметр должен быть не менее 50 мм, но при подборе широких труб эффективность теплоносителя снижается.

Важно! Чтобы самотечная система работала без сбоев, можно сделать так: после каждого разветвления трубы диаметр снижать на один размер. То есть, если к котлу подсоединяется труба в 2 дюйма, после первой батареи диаметр 1,2 дюйма, после следующей – 1,3 дюйма.

Что касается уклона, то по строительным нормам на каждый погонный метр трубы нужно делать наклон размером в 10 мм. Эти стандарты и нужно принимать в учет, планируя отопление самотеком, а схема выкладки, предварительно составленная в виде проекта, поможет промерить параметры укладки при проведении монтажных работ.

Выбор теплоносителя для системы

Чтобы естественная циркуляция в системе отопления частного дома поддерживалась с нужной скоростью, следует выбрать оптимальный теплоноситель. В большинстве случаев выбирается чистая вода – безопасный и дешевый вариант. Можно применять антифриз, но большая плотность с меньшей теплоотдачей нивелируют достоинства жидкости. Гликолевые составы нужны только при условии, что теплосистема не будет использоваться очень длительное время, антифриз не замерзает, и в отличие от воды не прорывает трубы.

Выбор верхнего или нижнего разлива

Если применяется нижний розлив, то трубопровод прокладывается на уровне напольного покрытия. При формировании однотрубной самотечной схемы нижний розлив считается не теплоэффективным, схема оправдана для трубопроводов с высоким давлением теплоносителя.

Верхний розлив лучше подходит для частных строений. В этом случае горячий поток подается через трубу под потолком, вода вытесняет воздух, который можно стравить краном Маевского. При верхнем розливе можно делать однотрубную схему отопления, теплоэффективность в этом случае поддерживается на оптимальных величинах.

Зная, как сделать циркуляцию воды без насоса, следует внимательно относиться ко всем этапам проектирования и монтажа. Ошибки в работе приводят к переустановке всех элементов, модификации контура или монтажу насоса, а это увеличивает финансовые вложения.

Обвязка котла

Создавая систему отопления в доме, большую часть выбора занимает котел. Это может быть твердотопливный, электрический, газовый (в районах, где он проведен). Помимо типа отопительного устройства важно правильно подобрать требуемую мощность, чтобы в сильные морозы не приходилось мерзнуть. Сделав этот, поистине сложный, выбор, возникает вопрос: «а что же дальше?»

Далее, как правило, следует выбор отопительных приборов (радиаторы или теплый пол). Но не менее важным этапом является обвязка котла.

Для чего нужна обвязка котла?

Обвязку котла делают для того, чтобы оборудование не перегревалось, продлить срок эксплуатации системы отопления. Она будет выполнять следующие функции-

— Предотвратит превышение давления выше максимально допустимого уровня.

— Будет удалять воздух из системы, предотвращая образование воздушных пробок.

— Избавит от песка, окалин и прочих включений, которые циркулируют в отопительной системе.

— Компенсирует избыточное тепловое расширение.

В общем, это комплекс приборов, который обеспечивает безопасное и комфортное использование системы отопления.

Обвязка котла зависит от типа отопительной системы, которые можно разделить на 2 вида:

— с естественной циркуляцией

— с принудительной циркуляцией

Обвязка котла в системе с естественной циркуляцией

Наиболее доступный вариант обвязки котла, при этом простой в исполнении. В этой системе отсутствует циркуляционный насос, а движение теплоносителя осуществляется за счет способности холодных жидкостей выталкивать менее плотные теплые. Расширительный бак в этой системе является открытым.

Судя по схеме обвязки котла в гравитационной системе отопления (она же с естественной циркуляцией), потребуются следующие компоненты:

— Соединители трубы и котла

— Сами трубы

— Расширительный бак открытого типа

— Вентиль (кран) слива теплоносителя

— Вентиль (кран) подпитки системы

— Фильтр сетчатый (косой фильтр)

— Уголки и тройники для изгибов трубопровода и подсоединения расширительного бака, сливной арматуры

Несмотря на кажущуюся простоту монтажа, следует соблюдать несколько правил:

— Минимальный диаметр трубы 40 мм

— Радиаторы должны располагаться выше, чем отопительный прибор

— Горизонтальные участки должны иметь уклон от 5 мм на метр по направлению движения теплоносителя

Плюсами такой системы являются отсутствие сложных узлов, комплектующих, что дает возможность быстро отремонтировать участок, в случае выхода из строя, а также энергонезависимость. Даже есть отключат свет, то теплоноситель будет циркулировать в системе и в доме будет тепло. Ну и наиболее весомый плюс гравитационной системы отопления- цена.

Но минусы тоже довольно весомы. Необходимо соблюдать уклон трубопровода, иначе циркуляция не будет осуществляться, а как следствие и тепло от котла поступать не будет. Касаемо труб также минусом является то, что сделать скрытый водопровод практически невозможно. Из-за того, что нет никаких приборов будет довольно сложно регулировать подачу, к этому тоже необходимо быть готовыми. И самое важное, на что необходимо обратить внимание- такая система подойдет только для небольших площадей (до 80 м2) и радиаторов как отопительных приборов.

Обвязка котла в системе с принудительной циркуляцией

Более современный тип отопления, в котором решены проблемы с отоплением больших площадей, неравномерным прогревом отопительных приборов, среди которых и водяной теплый пол. Благодаря именно этой системе появляется возможность сделать в доме этот вид отопления.

Конструктивные отличия этой системы отопления от варианта с естественной циркуляцией заключаются в изменении расширительного бака (теперь он закрытый, еще он называется мембранный бак) и добавлении таких элементов как циркуляционный насос и воздухоотводчик с предохранительным клапаном (эти два устройства объединяются в одном- группа безопасности котла).

В данной системе мембранный бак компенсирует избыточное тепловое расширение, а если давление превысило максимальное значение, то предохранительный клапан его сбросит и убережет систему от разрыва. Воздухоотводчик убирает скопившийся воздух в трубопроводе, тем самым исключается возможность образования воздушных пробок. Циркуляционный насос прогоняет теплоноситель по всей системе, что дает нам равномерный прогрев отопительных приборов, будь то радиаторы или теплые полы, а также вовремя отводит от котла нагретый теплоноситель, что исключает его закипание. При этом не требуется участие человека, что позволяет просто наслаждаться комфортными условиями.

Для обвязки котла в такой системе отопления потребуются следующие компоненты:

— Соединители трубы и котла

— Трубы

— Мембранный бак

— Фильтр сетчатый (косой фильтр)

— Вентиль (кран) слива теплоносителя

— Вентиль (кран) подпитки системы

— Циркуляционный насос и соединения для него

— Группа безопасности

Независимая от человека работа отопительной системы- самый главный плюс. Также безопасность в эксплуатации сбережет немало денег в случае какой-либо аварии, ведь один котел стоит немалых денег, да и незапланированный ремонт помещения не приносит никакой радости. Равномерный прогрев отопительных приборов дает комфорт в любой комнате, при этом можно максимально эффективно отрегулировать систему. Ведь с солнечной стороны не нужен сильный нагрев, а вот с противоположной можно и добавить температуру. Все эти факторы вместе дают уверенность в надежности и комфорт, а к этому стремится подавляющее большинство людей.

Минус, наверное, единственный- цена. В сравнении с гравитационной системой отопления добавляется несколько недешевых приборов, соответственно стоимость системы увеличивается. Также появляется зависимость от электричества, ведь при его отключении прекратится работа циркуляционного насоса.

Сравнение типов отопительных систем

Наглядно разница в комплектующих у этих систем представлена на изображении

Чтобы разница в цене была более ощутима, мы просчитали примерную стоимость обвязки котла в той и другой системе. Как основной материал была выбрана труба из полипропилена, армированная стекловолокном. «Подопытное» помещение- 50 м², квадратной формы, без разбивки на комнаты. Котел в обоих случаях будет одинаковый, как и количество радиаторов (4 шт)

Стоимость комплектующих гравитационной системы

Стоимость комплектующих принудительной системы

*Цены актуальны на январь 2017г

Из расчета становится понятно, что цена на принудительную систему отопления выше, но если смотреть детально, то стоимость трубы во втором случае ниже за счет меньшего диаметра, да и расширительный бак открытого типа не учтен, так как найти его довольно проблематично, умельцы изготавливают их самостоятельно.

Подводя итог можно отметить, что две системы отопления кардинально различаются и имеют право на жизнь, все зависит от условий эксплуатации. Там, где постоянные перебои с электричеством- однозначно подойдет гравитационная система, но если же таких проблем нет, то стоит задуматься о принудительной системе отопления, которая способна обеспечить комфорт и безопасность при отоплении дома.

Сравнение систем с естественной и принудительной циркуляцией

Система отопления с естественной циркуляцией – это система, в которой теплоноситель движется под воздействием силы тяжести и благодаря расширению воды при повышении ее температуры. Насос отсутствует.

Работает система отопления с естественной циркуляцией так. Определенный объем теплоносителя нагревается в котле. Нагретая вода расширяется и поднимается наверх (поскольку ее плотность ниже, чем у холодной воды) до самой верхней точки отопительного контура.

Она самотеком движется по контуру, постепенно отдавая свое тепло трубам и отопительным приборам – при этом, естественно, остывая сама.  Совершив полный круг, вода возвращается назад к котлу. Цикл повторяется.

Такая система является саморегулирующейся, а также самотечной, или гравитационной: скорость движения теплоносителя зависит от температуры в доме. Чем холоднее, тем он быстрее движется. Это происходит потому, что напор зависит от разницы в плотности воды, выходящей из котла, и ее плотности в «обратке». Плотность зависит от температуры: вода остывает (а чем холоднее в доме, тем быстрее это происходит), плотность увеличивается, скорость вытеснения нагретой воды (с меньшей плотностью) возрастает.

Кроме того, напор зависит от того, на сколько по высоте отстоят котел и нижний радиатор: чем ниже котел, тем быстрее вода переливается в обогреватель (по принципу сообщения сосудов).

Плюсы и минусы самотечных систем

Реализация отопления с естественной циркуляцией

Такие системы очень популярны для квартир, в которых реализована автономная система отопления, и одноэтажных загородных домов небольшого метража (читайте подробнее о реализации систем отопления в загородных домах).

Положительным фактором является отсутствие в контуре подвижных элементов (в том числе насоса) – это, а также то, что контур замкнут (и, следовательно, соли металлов, взвеси и прочие нежелательные примеси в теплоносителе имеются в постоянном количестве), увеличивают срок службы системы. Особенно если вы будете применять полимерные, металлопластиковые или оцинкованные трубы и биметаллические радиаторы, она может прослужить 50 и более лет.

Они дешевле систем с принудительной циркуляцией (как минимум – на стоимость насоса) в сборке и в эксплуатации.

Естественная циркуляция воды в системе отопления означает сравнительно маленький перепад. К тому же и трубы, и отопительные приборы из-за трения оказывают сопротивление движущейся воде.

Исходя из этого, отопительный контур должен иметь радиус порядка 30 метров (или немногим больше). Разнообразные повороты и ответвления увеличивают сопротивление и, следовательно, уменьшают допустимый радиус контура.

Такой контур является высокоинерционным: от момента запуска котла и до прогрева помещений проходит достаточно много времени — до нескольких часов.

Чтобы система функционировала нормально, условно горизонтальные участки труб должны иметь наклон по ходу течения теплоносителя. Воздушные пробки (детально о них читайте здесь) в таком контуре все собираются в самой верхней точке системы. Там монтируют герметичный либо открытый расширительный бачок.

Закипает вода чаще в системе отопления самотечного типа. Например, в случае применения открытого расширительного бачка порой бывает недостаточно воды в системе, а также если трубы имеют слишком маленький диаметр или слишком маленький уклон (из-за этого уменьшается скорость теплоносителя). Также это может произойти из-за завоздушивания.

Скорость движения воды в самотечном контуре

Скорость воды в системе отопления определяется рядом факторов:

  • Напором теплоносителя.
  • Диаметром труб (чем меньше диаметр, тем выше сопротивление, поэтому лучше использовать трубы с большим диаметром).
  • Количеством поворотов и их радиусом, Оптимально – минимальное количество поворотов (лучше всего вообще по прямой, а если они все-таки есть – то с большим радиусом).
  • Запорной арматурой: ее количеством и типом.
  • Материалом, из которого выполнены трубы. Наибольшее сопротивление оказывает сталь: чем больше на ней отложений, тем выше сопротивление, оцинкованная сталь – меньше, полипропилен – еще меньше, поэтому диаметр полипропиленовых труб может быть меньше, чем стальных.

Принудительная циркуляция

Принципиальная схема, поясняющая работу принудительной циркуляции

Система отопления с принудительной циркуляцией – это система, в которой используется насос: вода движется под воздействием давления, оказываемого им.

Система отопления с принудительной циркуляцией имеет такие преимущества перед гравитационной:

  • Циркуляция в системе отопления происходит с гораздо большей скоростью, и, следовательно, прогрев помещений осуществляется быстрее.
  • Если в самотечной системе радиаторы прогреваются по-разному (в зависимости от их удаленности от котла), то в насосной они нагреваются одинаково.
  • Можно регулировать нагрев каждого участка отдельно, перекрывать отдельные сегменты.
  • Схема монтажа является более легко модифицируемой.
  • Не образуется завоздушенность.

Недостатки у такой системы также имеютcя:

  1. Она дороже в монтаже: в отличие от  гравитационной модели, нужно прибавить стоимость насоса и стоимость запорной арматуры для его отсечения.
  2. Она менее долговечна.
  3. Зависит от снабжения электроэнергией. Если у вас случаются перебои с ее подачей, необходимо обзавестись источником бесперебойного питания.
  4. Она дороже в эксплуатации, так как насосное оборудование потребляет электроэнергию.

Выбор и монтаж насоса

Чтобы выбрать насос, нужно учесть целый ряд факторов:

  • Какой именно теплоноситель будет использоваться, какой будет его температура.
  • Длина магистрали, материал труб и их диаметр.
  • Сколько радиаторов (и каких именно – чугунных, алюминиевых и т.д.) будет подключено, каков будет их размер.
  • Количество и виды запорной арматуры.
  • Будет ли автоматическое регулирование, и как именно оно будет организовано.

При монтаже насоса на «обратке» продлевается срок службы всех частей контура. Перед ним также желательно установить фильтр для предотвращения поломки крыльчатки.

Перед установкой насос обезвоздушивают.

Выбор теплоносителя

В качестве теплоносителя может использоваться вода, а также один из антифризов:

  • Этиленгликоль. Токсичное вещество, которое может привести к летальному исходу. Поскольку протечки все же полностью исключить нельзя – лучше его не использовать.
  • Водные растворы глицерина. Их использование требует применения более качественных уплотнительных элементов, деталей из неполярных резин, некоторых видов пластмасс;. Может потребоваться установка дополнительного насоса. Вызывает повышенную коррозию металла. В местах нагрева до высоких температур (в районе горелки котла)  возможно образование ядовитого вещества – акролеина.
  • Пропиленгликоль. Это вещество нетоксично, мало того, оно используется в качестве пищевой добавки. На его основе изготавливаются эко-антифризы.

Проектные расчеты всех отопительных контуров базируются на применении воды. В случае применения антифриза следует пересчитать все параметры, поскольку антифриз в 2-3 раза более вязкий, имеет гораздо больше объемное расширение, меньшую теплоемкость. Это означает, что требуются гораздо более мощные (примерно на 40% — 50%) радиаторы, большая мощность котла, напор насоса.

При превышении температуры антифриза он разлагается. При этом образуются кислоты, вызывающие коррозию металла, и твердые осадки, оседающие на стенках труб и внутри радиаторов и ухудшающие движение теплоносителя.

Антифризы также склонны к протечкам, они являются бичом систем с большим количеством резьбовых соединений. Его применение обосновано в том случае, если система отопления может надолго оставаться без присмотра в морозные дни.

Обычную воду в качестве теплоносителя также не рекомендуется использовать: она насыщена солями и кислородом, что приводит к образованию накипи и к коррозии труб и радиаторов.

Обязательно дополнительно прочтите про выбор теплоносителя для системы отопления. В этом вопросе нет мелочей, а нюансов – очень много.

Подготовка воды для системы отопления заключается в ее умягчении (детальнее читайте тут).

Это происходит следующим образом:

  • Кипячением: углекислый газ улетучивается, некоторые из солей (но не соединения магния и кальция) выпадают в осадок;
  • Использованием химических веществ, умягчитель воды для системы отопления – это ортофосфат магния, гашеная известь, кальцинированная сода. Все соли становятся нерастворимыми и выпадают в осадок, для устранения остатков которого воду нужно подвергнуть фильтрации.
  • Дистиллированная вода в системе отопления является идеальным вариантом.

Обязательно рекомендуем уделить 5 минут своего времени и в видео формате посмотреть обзор, в котором сравниваются эти системы, приводятся технические решения.



Надеемся, что разница между естественной и принудительной циркуляций вам понятна. И вы выберете оптимальный для себя тип системы отопления.

Будем благодарны, если нажмете на кнопки социальных сетей. Пусть и другие почитают этот материал. Приглашаем вас также вступить в нашу группу в сети Вконтакте. До встречи!

какой выбрать, последствия заужения к квартире, подбор по таблице

Отопление дома или квартиры — не такая простая инженерная система, как может показаться на первый взгляд. При составлении проекта требуется провести много расчётов, в частности, нужного диаметра трубопровода.

Правильно подобрать диаметр — это залог надёжной, комфортной и эффективной системы обогрева помещений.

К примеру, отопление без насоса, где теплоноситель циркулирует самотёком, вообще может не заработать при слишком узких трубах, а схема с принудительной циркуляцией при занижении диаметра будет шуметь или не прогревать помещения до нужной температуры. Поэтому следует воспользоваться правилами расчёта, которые позволят привести теплопотери к минимуму.

Влияние диаметра труб на КПД для системы отопления в частном доме

Ошибочно полагаться на принцип «больше — лучше» при выборе сечения трубопровода. Слишком большое сечение трубы ведёт к снижению давления в ней, а значит и скорости теплоносителя и теплового потока.

Более того, если диаметр слишком велик, у насоса попросту может не хватить производительности для перемещения такого большого объёма теплоносителя.

Важно! Больший объём теплоносителя в системе подразумевает высокую суммарную теплоёмкость, а значит времени и энергии на его подогрев будет затрачиваться больше, что также влияет на КПД не в лучшую сторону.

Подбор сечения трубы: таблица

Оптимальное сечение трубы должно быть минимально возможным для данной конфигурации (см. таблицу) по следующим причинам:

  • маленький объём теплоносителя быстрее нагревается;
  • меньший просвет создаёт большее сопротивление движению теплоносителя, оно замедляется, что приводит к уменьшению шума;
  • трубопровод небольшого диаметра лучше впишется в интерьер и вызовет меньше трудностей при монтаже;
  • от размера трубы зависит её стоимость, поэтому тонкие трубы более выгодны по цене.

Однако, не стоит переусердствовать: помимо того, что маленький диаметр создаёт повышенную нагрузку на соединительную и запорную арматуру, он также не в состоянии перенести достаточно тепловой энергии.

Чтобы определить оптимальное сечение трубы, используется следующая таблица.

Фото 1. Таблица, в которой значения приведены для стандартной двухтрубной схемы системы отопления.

Какие нужны параметры

В описании характеристик на конкретную трубу могут встретиться следующие параметры:

  • Внутренний диаметр — основной фактор, влияющий на производительность системы и учитывающийся в расчёте.
  • Внешний — измеряется по внешней окружности трубопровода, влияет на то, какие отверстия потребуется сверлить в стенах и перекрытиях.
  • Номинальный, или условный — приблизительно совпадает с внутренним сечением трубы, выбирается из фиксированного ряда чисел по ГОСТу, обозначается как DN 100. Для распространённых значений иногда так же обозначается как диаметр резьбы в дюймах, например: 1/2″, 3/4″.

Процедура расчёта, чтобы подобрать размер

Рассмотрим пример типового расчёта сечения трубопровода для обогрева комнаты 40 м2.

  • Вычислим оптимальное количество энергии для прогрева помещения. Для средней полосы, утеплённого дома и потолков не выше 3 метров, на 10 м2 площади требуется 1 кВт тепла. Или для 40 м2 — 4 кВт.
  • Берём 20% запас (на случай непредвиденных теплопотерь в виде открытых окон и других факторов): 4*1,2 = 4,8 кВт, или 4800 Вт. Под каждым окном в помещении должен стоять радиатор отопления. Допустим, в нашей комнате 3 окна, тогда это 3 радиатора, каждый по ~1,6 кВт.

Внимание! Тепловая мощность указывается в техпаспорте на батарею отопления. Можно использовать более мощный радиатор, но не наоборот, иначе помещение не будет прогреваться достаточно эффективно.

  • Теперь обращаемся к таблице и находим в ячейках самое близкое значение мощности к расчётному, округляя в большую сторону.

Согласно таблице, это 5518 Вт и нужно использовать трубопровод с сечением равным 12 мм, а скорость движения теплоносителя составит 0,6 м/с.

Несмотря на присутствие в ячейках других близких значений, используют значения из ограниченной синим цветом зоны, которая заключает в себе приемлемые значения скорости жидкости в трубопроводе.

Подходящая скорость протока теплоносителя по трубам — от 0,3 до 0,7 м/с. Меньшая — приведёт к медленному обогреву помещения и неравномерному прогреву радиаторов, а при большей жидкость просто не будет успевать прогреваться до установленной температуры в теплообменнике котла и создавать ощутимый шум.

Вам также будет интересно:

Особенности выбора в частном доме

В случае наличия центральной отопительной магистрали, подбор диаметра проводится аналогично квартирным отопительным системам. Однако если вы проектируете автономное отопление в частном доме, то необходимо принять в расчёт тип циркуляции теплоносителя: естественный или принудительный.

Принудительная циркуляция жидкости не так привередлива к выбору сечения трубопровода, а вот работа самотёчной системы с естественной циркуляцией очень сильно зависит от диаметра труб на различных участках.

Здесь больший размер трубы означает меньшее сопротивление и лучшую производительность системы, а некоторые участки контура должны обладать меньшим диаметром. Например, при установке байпаса (замыкающего участка) его диаметр рекомендуется на один условный размер меньше, чем основного трубопровода.

Фото 2. Применение байпаса в отопительной системе, в этом случае диаметр труб должен быть меньше, чем у трубопровода.

Последствия заужения стояка в многоквартирном доме

Весь контур системы отопления в идеале должен быть выполнен трубами одного размера. Отдельные узкие участки приводят к локальным повышениям давления и снижению расхода жидкости, что может пагубно отразиться на эффективности отопления.

При переделке системы отопления в квартире и замене стальных труб на пластиковые, можно по невнимательности сделать заужение диаметра на данном участке. Происходит это потому, что толщина стенок трубопровода из полиэтилена гораздо больше толщины у стального. Так при одинаковом внешнем сечении, пластиковая труба будет обладать меньшим внутренним просветом.

Зачастую такое делается только ради экономии времени и усилий, ведь старые отверстия в стенах под стальные трубы придётся расширять, причём немало: с 25 до 32 мм. Гораздо проще сэкономить и поставить трубу с меньшим внутренним сечением.

Однако делать такое категорически нельзя из-за серьезных последствий: в многоквартирном доме у соседей по стояку вы таким образом украдёте 40% тепла и воды, проходящей по трубам.

Как выбрать диаметр подачи и обратки в квартире

В двухтрубной схеме отопления может использоваться различное расположение труб подачи (с горячим теплоносителем) и обратки (с остывшим после передачи части энергии помещению). Если подача и обратка проходят рядом параллельно и каждый радиатор имеет индивидуальное подключение, то их диаметр можно выбрать одинаковым.

Справка! Однако если трубы разнесены, и подача заведена на чердак дома, откуда уже идут ответвления на комнаты, диаметр подающего трубопровода нужен больше обратного, для обеспечения достаточной производительности системы.

Трубопровод как ключ к эффективной работе

Сечение труб, из которых монтируется система отопления, имеет большое значение в эффективности её работы.

Неправильно произведённый расчёт диаметров может не проявить себя до поры до времени.

Например, пока вы не измените температуру теплоносителя или не попытаетесь запустить систему в холодном доме.

Если отопление и так работало «на грани», то изменение температурного режима может понизить давление до таких уровней, что система просто не будет работать.

Полезное видео

Из видео можно узнать некоторые советы специалиста по выбору диаметра труб отопительной системы.

Заключение

Помимо традиционного отопления на базе котла, сегодня набирает популярность геотермальное отопление, использующее тепловую энергию, запасённую в грунте от солнца. Специальное оборудование (тепловой насос) преобразует небольшую температуру +5–8 °C на глубине земли в тепло для обогрева помещений.

К преимуществам данного способа отопления является повсеместная доступность, возобновляемость энергии, экологичность и низкие расходы на эксплуатацию. Но пока такие установки слишком дороги и окупаются через 5–8 лет. К тому же, для питания насоса требуется электричество, что делает такое отопление полностью энергозависимым.

Расчёт диаметра труб для отопления

Трубы являются одними из самых распространённых, разнообразных и необходимых изделий. Их назначения и сферы использования так многочисленны, что и перечислить сложно. Трубопроводы для выполнения самых разных задач изготавливают из металла, стекла, пластика, керамики. Размеры варьируются, могут быть от миллиметра и до огромных труб для транспортировки нефти и газа.

В данной статье разберём, как рассчитать диаметр труб для отопления. Не стоит недооценивать важность расчёта, потому что неточности в выборе трубного диаметра могут существенно ухудшить гидродинамику отопительного контура, снизить коэффициент полезного действия и стать причиной слишком высоких затрат на приобретение труб забольшого диаметра.

Ключевые параметры труб:

  • усреднённый диаметр;
  • внешний диаметр трубы;
  • внутренний трубный диаметр;
  • материал трубопровода.

Советы перед расчётом и установкой системы

Узнать необходимый диаметр трубопровода под отопление очень важно, так как именно от этого параметра зависит гидродинамическое сопротивление и пропускная способность контура. Ещё перед расчётом требуется чётко определиться с типом труб и их материалом.

Нанесённая маркировка для изделий различается. Трубы из пластика маркируют с указанием наружного диаметра, а из чугуна и стали – по внутреннему диаметру. Взять на заметку этот факт придётся, если установка трубопровода будет осуществляться комбинированным способом.

Перед самой работой также необходимо составить схему планируемой системы отопления, выбрать диаметр труб для отопления в частном доме и купить все материалы. К тому же найти комплектующие, в том числе тройники, клапаны, переходники и воздушные клапаны.

Подробнее о переходниках и фитингах можно прочитать в этой статье

Расчёт диаметра трубы для отопления должен производиться аккуратно и внимательно, в какой последовательности всё рассчитывать рассмотрим ниже.

Что нужно для расчёта

Как правило, вычисления начинают с определения тепловой мощности – Q. Необходимое количество тепла узнают произведением объёма помещения V в м³ на норму, которая равна 40 Вт/м³.

Q = V х 40 Вт/м³

Затем устанавливают тип системы отопления: одно- или двухтрубная. Для загородных домов лучше подойдёт 2-трубная, однако для будущего расчёта выбор типа системы – не самое важное.

Лучше направить своё внимание на выбор метода движения теплового носителя:

  • будет ли он конвекционным либо естественным;
  • либо же принудительным, с использованием насоса циркуляции.

Главное отличие этих методов в том, что при организации системы выбирается уклон отопительных труб при естественной циркуляции, где жидкость движется самотёком, а второй вариант подразумевает движение с помощью насоса, что делает скорость обмена тепла намного выше.

Скорость движения теплового носителя – очень важный показатель.

В зависимости от него, в том числе, выбирают диаметр труб для обогрева. Расчётные единицы для естественной циркуляции – от 0,3 м/с. Скорость движения теплоносителя зависит от напора, поэтому при выборе варианта с естественной циркуляцией он определяется высотой подъёма расширительного бачка открытого типа. Каждый метр подъёма добавляет величину давления в 0,1 атм.

Рассчитать объем расширительного бака можно тут

В случае с циркуляцией при помощи насоса выбирают величину скорости – 0,7 м/с. Высчитывая скорость необходимо идти на определённые уступки, ведь при высокой скорости появляется шум в системе и существенно повышается гидравлическое сопротивление, а при очень низкой — забольшие размеры отопительных изделий приведут к увеличению финансовых затрат. Потому зачастую выбирают меньший диаметр в связи с:

  • облегчённым монтажом;
  • относительно низкой стоимостью труб диаметра поменьше;
  • увеличением динамичности системы при меньшем количестве жидкости.

Расчёт по этапам

Вы определили исходные данные: нарисовали схему отопительной системы, решили с типом, вовремя рассчитали величину тепловой мощности для всех помещений? Тогда действуйте дальше. Обычно расчёт начинают с наиболее удалённого помещения.

Объёмный расход жидкости вычисляют по формуле:

G = 0.86*Q / 20
где:
G – объёмный расход теплоносителя, кг/ч;
Q – расчётное количество тепла, Вт;
20 – температурная разница в подаче и «обратке». Для расчётов равна 20 °C.

По приведённой формуле определяют массу жидкости, однако горячая вода характеризуется при 80 °C плотностью р = 971.6 кг/м³. Потому объёмный расход Vo вычисляют формуле:

Vo = G / р

При знании объёма и скорости движения нетрудно вычислить площадь поперечного сечения:

S = Vo / (3600 х Vт)
где:
S – площадь поперечного сечения;
Vo – расход (объёмный) теплового носителя;
Vт – выбранная скорость потока жидкости.

И в конце производят расчёт диаметра:

D = корень квадратный из выражения 4S /3,14.

После того, как вы вычислили диаметр для дальней комнаты, рассчитать размер трубопровода для следующего помещения не составит труда. Однако стоит помнить, что через это помещение необходимо пропустить суммарное количество тепла для двух комнат и т.п. Расчёт в целом не трудный, но для тех, кто не занимался ранее подобными вычислениями, достаточно громоздок.

Потому для того, чтобы облегчить сам процесс, существуют таблицы, дающие ответ и решающие задачу – как определить диаметр трубы для отопления. Из таблиц чётко ясно: диаметр отопительных труб с естественной циркуляцией нужен большой, так как скорость движения потока 0,3 м/с. Выбирать трубы стоит по ближайшему большему диаметру, взяв на заметку несовпадение логики маркировки труб из разных материалов:

  1. Водогазопроводные трубы из стали – прописан внутренний диаметр.
  2. Электросварные изделия из стали – наружный диаметр.
  3. Полиэтиленовые, металлопластиковые, из полиэтилена низкого давления, полипропиленовые трубы для отопления – диаметр наружный.

Диаметры медных и стальных труб для отопления:

Таблица диаметров труб

Каким диаметром должны быть трубы отопления полипропилен

Вы решили использовать изделия из полипропилена и не знаете, как подобрать диаметр в связи с вышеприведёнными формулами? Аналогично. Однако у труб из полипропилена большой срок службы, около века, потому система отопления, которая правильно рассчитана и качественно установлена, будет служить довольно долго. Загляните в таблицу диаметров труб для отопления.

Наружный диаметр, ммPN10PN20PN30
Внутренний диаметрТолщина стенкиВнутренний диаметрТолщина стенкиВнутренний диаметрТолщина стенки
16  10.62.7  
2016.21.913.23.413.23.4
2520.42.316.64.216.64.2
3226.03.021.25.421.23.0
4032.63.726.66.726.63.7
5040.84.633.28.433.24.6
6351.45.84210.5425.8
7561.26.95012.5506.9
9073.68.2615  
110901073.218.4  

Полипропиленовые трубопроводы пользуются популярностью, так как они стоят не так дорого, как металлические, экологичны и внешне привлекательны. К тому же и установка контуров систем при применении подобных изделий становится существенно проще. Существуют специальные аппараты для сварки труб, разные переходники, фитинги, краны и иные нужные комплектующие. Процесс установки чем-то напоминает сборку системы из конструктора.

Подробнее о разновидностях и способах монтажа полипропиленовых труб для отопления читайте в этой статье

Оребрённые трубы

Такие изделия изготавливаются методом поперечно-винтовой прокатки. На них наносятся рёбра, увеличивающие площадь поверхности, которая отдаёт тепло. Применение таких труб даёт возможность сократить вес тепловых обменников, потому что тепло будет отдавать и оребрённая труба, по которой циркулирует жидкость.

Оребренная труба

Такая труба, если сравнивать её с обычной гладкой, имеет площадь теплового обмена в 2-3 раза больше. Популярности оребрённых труб мешает их высокая стоимость. Изделия выполняются из алюминия, латуни и меди. Организация системы отопления с использованием такого типа трубопроводов требует существенных денежных затрат, потому их расчёт в этой статье не будем рассматривать.

При не очень разветвлённой и сложной системе трубный диаметр можно рассчитать самостоятельно. Для этого необходимо иметь данные о тепловых потерях помещения и мощность каждого радиатора. Потом, заглянув в таблицу, можно определить сечение трубы, соответствующей подаче нужного количества тепла. Расчёт трудных многоэлементных схем лучше оставить для профессионалов. В крайнем случае, рассчитайте сами, но постарайтесь хотя бы получить консультацию.

Диаметр трубы для отопления частного дома: расчет

Любому профессионалу не составит большого труда определить величину необходимого сечения трубопровода. Для этого существуют специальные таблицы, по которым опытный специалист быстро найдет верный ответ. Намного сложнее обычному владельцу жилья. Он не обладает профессиональными знаниями, а вот желание самостоятельно создать отопительный контур всегда существует. Эта статья поможет правильно определить диаметр трубы для отопления частного дома.

Как сечение трубы влияет на отопительную систему и ее КПД

Высокая эффективность отопительной системы зависит от грамотно разработанного проекта трубопровода. При планировании прокладки труб очень важно правильно рассчитать возможные теплопотери. Нужно стремиться к их максимальному уменьшению. Если этого не сделать, то даже огромные энергетические затраты не помогут нормально функционировать отопительной системе.

Покупая трубы, нужно учитывать некоторые свойства материала изделия:

  • физико-химические показатели;
  • длину;
  • диаметр.

Учет всех этих параметров поможет создать высокоэкономичную отопительную систему, отличающуюся высоким показателем КПД.

Какой диаметр трубы лучше всего использовать для отопления вашего частного дома? От сечения трубы зависят гидродинамические свойства трубопровода. Отсюда следует, что подбор должен осуществляться тщательно, соблюдая все требуемые нормативы.

Существует мнение, что если увеличить диаметр труб для отопления, повысится эффективность отапливающей системы. Однако такое утверждение ошибочно. Когда диаметр неоправданно большой, происходит понижение давления отопительной системы, оно падает до минимальных значений. В результате дом остается вообще без отопления.

Как грамотно подобрать диаметр труб для монтажа трубопровода в собственном коттедже

Выбор диаметра труб для отопления начинается с определения того, как будет происходить подача теплоносителя. Если она осуществляется от централизованной магистрали, проводить расчет нужно аналогично подаче тепла в жилую квартиру.

Если коттедж имеет установленную автономную отопительную систему, то расчет диаметра будет зависеть от вида материала трубы и существующей схемы отопления. 

Например, если осуществляется естественная циркуляция воды, необходимо монтировать трубы с определённым диаметром, а если подключен дополнительный насос, то эта цифра будет совсем другой.

Какие параметры необходимо знать, чтобы сделать правильный расчет диаметра

Очень важным считается значение тепловой мощности. От нее зависит то, насколько эффективно будет обогреваться помещение. Обычно этот параметр определяется на стадии проектирования котельной установки. Если этого не сделано, то приблизительное количество теплоты рассчитывается в зависимости от объема комнаты.

Кубометр помещения будет нормально обогреваться за счет 40 Вт. Следовательно, для определения расхода тепла нужно существующий объем помещения умножить на 40. Результат должен получиться в Ваттах.

Затем определяется вид системы отопления. Он может быть:

  • однотрубным;
  • двухтрубным.

Второй тип отопительной системы частного дома намного лучше. Он остается самым востребованным и популярным. Однотрубные схемы никто не отменял. Они также применяются в отопительных системах.

Жидкость движется в этих системах по одним и тем же законам, поэтому при определении диаметра трубопровода вид отопления не имеет решающего значения. Намного важнее способ движения теплоносителя. Он может быть нескольких видов:

  • конвекционный, или самотечный;
  • принудительный: движение осуществляется с помощью циркуляционного насоса.

Эти способы отличаются между собой только движением теплоносителя. При конвекционном методе жидкость перемещается по трубопроводу очень медленно. При принудительном − насос заставляет ее двигаться намного быстрее.

Именно скорость продвижения теплоносителя считается самым важным параметром для расчета такой величины, как диаметр труб отопления. От ее значения зависит пропускная способность магистрали. Рекомендуемая скорость находится в диапазоне 0,3 − 0,7 м/с.

При использовании принудительной системы скорость составляет 0,7 м/с, для конвекционного способа − это 0,3 м/с.

Если скорость жидкости меньше указанного значения, начнется образование воздушных пузырьков. Если диаметр трубопровода будет очень большим, это вызовет значительные затраты.

При высокой скорости трубопровод начнет сильно шуметь, увеличится гидравлическое сопротивление сети, обычный циркуляционный насос с такими условиями может просто не справиться.

Расчет сечения трубы

Чтобы понять методику расчета и познакомиться с таблицей диаметров труб, возьмем типовой расчет монтажа трубопровода комнаты, общей площадью 20 кв. м:

  • вычисляется тепловая мощность. Если стены в квартире имеют утепление, высота потолка менее 3 м, то берется 1 кВт на 10 кв. м площади;
  • у нас площадь равна 20 кв. м, а это значит, что потребуется 2 кВт мощности;
  • к этому значению прибавляются запасные 20 %. В результате получается 2,4 кВт. Следовательно, чтобы в квартире было тепло и уютно, необходимо чтобы отопление имело тепловую мощность не ниже 2,4 кВт;
  • если в комнате есть окна, необходимо установить радиаторы отопления. Их количество должно соответствовать числу окон. Например, если имеется 2 окна, требуется установить 2 батареи, мощность каждой из них должна быть не менее 1,2 кВт. Радиаторы устанавливаются под подоконниками. Возможны и другие места в соответствии с дизайном проекта;
  • значение мощности отопительных радиаторов разрешается увеличивать, но не уменьшать;
  • в таблице в графе внутренних диаметров, необходимо найти величину мощности, равную 2,4 кВт. После этого находится верхний параметр теплового потока. Голубой участок таблицы, показывает оптимальную скорость, с которой движется жидкость;
  • такая таблица предназначена для определения необходимых значений двухтрубной отопительной системы. В данном случае учитывается разница между температурой теплоносителя при входе и на его выходе из трубопровода.

После операций с таблицей мы получили следующие значения: чтобы нормально обогреть помещение в 20 кв. м, необходимо чтобы труба имела диаметр 8 мм. Движение теплоносителя будет совершаться со скоростью около 0,6 м/с. При этом расход составит 105 кг/ч, значение тепловой мощности не будет превышать 2453 Вт. Разрешается использовать трубы с сечением 10 мм. Тогда скорость достигнет 0,4 м/с. Расход составит 110 кг/ч. Мощность созданного теплового потока = 2555 Вт.

Теперь вы знаете, какой диаметр трубы выбрать для отопления.

Практические советы

Если неправильно подобрать диаметр трубопровода, возможно появление очень многих проблем:

  • протечки;
  • высокий расход топлива;
  • большие затраты электроэнергии.

Поэтому монтаж такой отопительной системы должен выполняться с учетом всех технологических правил. Для контура из сочетания разнородных труб необходимо сделать специальные расчеты. Отдельно считается пластиковая труба, отдельно металл. Такую задачу должен выполнять только специалист. Самостоятельно рассчитывать диаметр не нужно, ошибка может достигнуть большой величины. Стоимость услуг профессионала намного меньше, чем переделка всех коммуникаций во время отопительного сезона. Все приборы должны подключаться только трубами одинакового сечения.

Похожие статьи:

Схема двухтрубной системы отопления дома

Согласно статистическим данным свыше 70% всех жилых зданий обогреваются посредством водяного отопления. Одной из его разновидностей является двухтрубная система отопления – именно ей посвящена данная публикация.

Радиатор на двухтрубном контуре

В статье рассмотрены преимущества и недостатки, схемы, чертежи и рекомендации по монтажу двухтрубной разводки своими руками.

Cодержание статьи

Отличия двухтрубной системы отопления от однотрубной

Любая отопительная система представляет собой замкнутый контур, по которому циркулирует теплоноситель. Однако в отличие от однотрубной сети, где по одной и той же трубе вода поступает ко всем радиаторам поочередно, двухтрубная система предполагает разделение разводки на две линии – подающую и обратку.

Двухтрубная система отопления частного дома, в сравнении с однотрубной конфигурацией, имеет следующие преимущества:

  1. Минимальные потери теплоносителя. В однотрубной системе выполняется поочередное подключение радиаторов к подающей линии, вследствие чего проходя сквозь батарею теплоноситель теряет температуру и в следующий радиатор поступает частично охлажденным. При двухтрубной конфигурации каждая из батарей соединена с подающей трубой отдельным отводом. Вы получаете возможность установить на каждый из радиаторов термостат, что позволит регулировать температуру в разных помещениях дома независимо друг от друга.
  2. Низкие гидравлические потери. При обустройстве системы с принудительной циркуляцией (необходимо в зданиях большой площади) двухтрубная система требует установки менее производительного циркуляцонного насоса, что позволяет хорошо сэкономить.
  3. Универсальность. Двухтрубная система отопления может быть использована в условиях многоквартирного, одно либо двухэтажного здания.
  4. Ремонтопригодность. На каждом ответвлении подающего трубопровода можно установить запорную арматуру, что дает возможность отсечь подачу теплоносителя и выполнить ремонт поврежденных труб либо радиаторов без остановки всей системы.
Двухтрубная система отопления

Среди недостатков данной конфигурации отметим двукратное увеличение длины используемых труб, однако это не грозит кардинальным ростом финансовых затрат, поскольку диаметр применяемых труб и фитингов меньше, чем при обустройстве однотрубной системы.

Классификация двухтрубного отопления

Двухтрубная система отопления частного дома, в зависимости от пространственного расположения, классифицируется на вертикальную и горизонтальную. Более распространенной является горизонтальная конфигурация, которая предполагает подключение радиаторов на этаже здания к единому стояку, тогда как в вертикальных системах к стояку подключаются радиаторы разных этажей.

Применение вертикальных систем оправдано в условиях двухэтажного здания. Несмотря на то, что обустройство такой конфигурации обходится дороже ввиду необходимости использования большего количества труб, при вертикально расположенных стояках исключается возможность образования воздушных пробок внутри радиаторов, что повышает надежность системы в целом.

Вертикальная двухтрубная система

Также двухтрубная система отопления классифицируется по направлению движения теплоносителя, согласно которому она бывает прямоточной либо тупиковой. В тупиковых системах жидкость по трубам обратки и подачи циркулирует в разных направлениях, в прямоточных их движение совпадает.

В зависимости от способа транспортировки теплоносителя системы делятся на:

  • с естественной циркуляцией;
  • с принудительной циркуляцией.

Отопление с естественной циркуляцией может применяться в одноэтажных зданиях с площадью до 150 квадратов. В нем не предусмотрена установка дополнительных насосов – теплоноситель перемещается благодаря собственной плотности. Характерной особенностью систем с естественной циркуляцией является укладка труб под углом к горизонтальной плоскости. Их преимуществом является независимость от наличия электроснабжения, недостатком – отсутствие возможности регулировки скорости подачи воды.

В условиях двухэтажного здания двухтрубная система отопления всегда выполняется с принудительной циркуляцией.  В плане КПД такая конфигурация более эффективна, поскольку вы получаете возможность регулировать расход и скорость движения теплоносителя с помощью циркуляционного насоса, который устанавливается на выходящей из котла трубе подачи. В отоплении с принудительной циркуляцией используются трубы сравнительно малых диаметров (до 20 мм), которые укладываются без уклона.

Какую разводку отопительной сети выбрать?

В зависимости от расположения подающего трубопровода двухтрубное отопление классифицируется на две разновидности – с верхней и нижней разводкой.

Схема двухтрубной системы отопления с верхней разводкой предполагает монтаж расширительного бака и разводящей магистрали в наивысшей точке отопительного контура, над радиаторами. Такую укладку невозможно выполнить в одноэтажном здании с плоской крышей, поскольку для размещения коммуникаций потребуется утепленный чердак либо специально отведенная комнатка на втором этаже двухэтажного дома.

Система с нижней разводкой

Двухтрубная система отопления с нижней разводкой отличается от верхней тем, что разводящий трубопровод в ней расположен в подвальном помещении либо в подпольной нише, под радиаторами. Крайним контуром отопления является труба обратки, которая устанавливается на 20-30 см ниже, чем подающая линия.

Это более сложная конфигурация, требующая подключения верхней воздушной трубы, по которой будут выводится излишки воздуха из радиаторов. При отсутствии подвального помещения дополнительные проблемы могут возникнуть из-за необходимости установки котла ниже уровня радиаторов.

Система с верхней разводкой

Как нижняя, так и верхняя схема двухтрубной системы отопления могут выполняться в горизонтальной либо вертикальной конфигурации. Однако вертикальные сети, как правило, выполняются с нижней разводкой. При таком монтаже нет необходимости устанавливать мощный насос для принудительной циркуляции, поскольку из-за разницы между температурами в трубе обратки и подачи создается сильный перепад давления, увеличивающий скорость движения теплоносителя. Если же ввиду особенностей планировки здания такую укладку сделать невозможно, обустраивается магистраль с верхней разводкой.

Делаем двухтрубную систему своими руками (видео)

Выбор диаметра труб и правила монтажа двухтрубной сети

Монтируя двухтрубное отопление крайне важно выбрать правильный диаметр труб, в противном случае вы можете получить неравномерный прогрев удаленных от котла радиаторов. У большей части котлов для бытовой эксплуатации диаметр подающего и обратного патрубка равен 25 либо 32 мм, что подходит для двухтрубной конфигурации. Если же вы имеете котел с патрубками 20 мм, лучше остановиться на однотрубной системе отопления.

Размерная сетка представленных на рынке полимерных труб состоит из диаметров 16, 20, 25 и 32 мм. Выполнять монтаж системы своими руками нужно с учетом ключевого правила: первая секция разводящей трубы должна соответствовать диаметру патрубков котла, а каждый последующий участок трубы после тройника ответвления на радиатор – на один типоразмер меньше.

Схема диаметров труб в двухконтурной системе

На практике это выглядит следующим образом – с котла выходит диаметр 32 мм, через тройник к нему трубой 16 мм подключен радиатор, далее после тройника диаметр подающей магистрали уменьшается до 25 мм, на следующем отводе к радиатору линии 16 мм после тройника диаметр уменьшается до 20 мм и так далее. Если же количество радиаторов больше, чем типоразмеров труб, необходимо разделять подающую магистраль на два плеча.

Выполняя монтаж системы своими руками придерживайтесь следующих рекомендаций:

  • подающая и обратная магистраль должны располагаться параллельно друг другу;
  • каждый отвод на радиатор необходимо оснастить запорным краном;
  • распределительный бак, в случае его установки в чердачном помещении при монтаже сети с верхней разводкой, необходимо утеплять;
  • крепление труб на стенах должно размещаться с шагом не более 60 см.

Обустраивая систему с принудительной циркуляцией важно правильно подобрать мощность циркуляционного насоса. Конкретный выбор делается исходя из размеров здания:

  • для домов площадью до 250 м2 достаточно насоса мощностью 3.5 м3/час и напором в 0.4 МПа;
  • 250-350 м2 – мощность от 4.5 м3/час, напор 0.6 МПа;
  • свыше 350 м2 – мощность от 11 м3/час, напор от 0.8 МПа.

Несмотря на то, что двухтрубное отопление своими руками устанавливать сложнее, чем однотрубную сеть, такая система благодаря высокой надежности и КПД полностью оправдывает себя в процессе эксплуатации.

Расход циркуляции — обзор

5.4.2 Расположение компонентов системы первого контура

Разработчик реактора может сделать ряд вариантов размещения ключевых компонентов системы реактора, которые влияют на общую надежность конструкции. Наиболее распространенный и значительный выбор — использовать интегральную конфигурацию, в которой все или большинство компонентов первичной системы содержатся в одном резервуаре. Трудно придумать хорошую автомобильную аналогию; Лучшее, что я могу сделать, это предположить, что традиционная конфигурация петлевого типа похожа на мотоцикл с одной или несколькими прикрепленными колясками, в то время как конфигурация интегрального типа похожа на семейный седан, где все надежно спрятаны внутри.Дело в том, что интегральная конфигурация устраняет множество внешних уязвимостей по аналогии с потенциальным отсоединением коляски.

В нескольких конструкциях SMR в США и других странах используется конструкция встроенного реактора с водой под давлением (iPWR). Это критически важная особенность упрощения конструкции, которая играет ключевую роль как в улучшении безопасности, так и в снижении стоимости установки. Это также основная особенность, которая намеренно поддерживает малую мощность реактора из-за ограниченного объема внутри первичного резервуара.Что наиболее важно, интегральная конструкция исключает сценарий аварии с серьезными последствиями, например, крупную аварию с разрывом трубы и потерей охлаждения. Это также значительно уменьшает размер проходов через корпус реактора, работающий под давлением, что, таким образом, ограничивает скорость, с которой теплоноситель может быть вытеснен из корпуса, если одно из этих проходов будет нарушено. В типичном iPWR максимальный размер трубы, проходящей через корпус реактора, составляет 5-7 см в диаметре, что необходимо для входа питательной воды и выхода пара внутреннего парогенератора.Это контрастирует с трубами диаметром 80–90 см в большом PWR петлевого типа, которые соединяют корпус реактора с внешними корпусами парогенератора. Концептуальное сравнение двух типов основных конфигураций системы приведено на рисунке 5.2.

Рисунок 5.2. Сравнение PWR петлевого (слева) и интегрального (справа) типа, показывающее отсутствие больших труб теплоносителя первого контура.

Первый (и единственный) коммерческий iPWR был на борту торгового судна NS Otto Hahn, введенного в эксплуатацию в 1968 году и оснащенного встроенным реактором мощностью 35 МВт. 9 В конце 1980-х годов проект безопасного интегрального реактора (SIR) мощностью 320 МВт (эл.) Был разработан консорциумом, включающим Агентство по атомной энергии Соединенного Королевства, Combustion Engineering, Stone and Webster и Rolls Royce. 10 Конструкция SIR была разработана специально для решения проблем безопасности, с которыми сталкивались первые PWR с большой петлей, и является предшественником многих конструкций SMR, появившихся в последние несколько лет. SMR без водяного охлаждения также могут использовать интегральную конфигурацию.В случае реакторов с металлическим и солевым охлаждением эту конфигурацию чаще называют конфигурацией «бассейна», но функционально она такая же, как и интегральная конфигурация.

Упаковка всех компонентов системы первого контура в один резервуар имеет ряд преимуществ, связанных с безопасностью:

Устранены все большие трубы охлаждающей жидкости. Только небольшие (диаметром 5–7 см) трубы для питательной воды и пара проходят сквозь стенку первичного резервуара по сравнению с большими (диаметром 80–90 см) трубами для PWR петлевого типа.Проходки меньшего размера значительно снижают скорость, с которой вода теплоносителя первого контура может выходить из резервуара после разрыва трубы, тем самым отсрочивая возможные последствия аварии с потерей теплоносителя.

Обычно теплообменники размещаются выше уровня активной зоны, создавая относительно высокую систему, которая способствует более эффективной естественной циркуляции теплоносителя первого контура в случае отказа насоса охлаждающей жидкости. Некоторые конструкции имеют достаточную скорость потока естественной циркуляции, чтобы полностью исключить насосы теплоносителя первого контура, и полагаются только на естественную циркуляцию для нормальной работы.Такой подход полностью исключает сценарии аварий, связанных с отказом насоса.

Вся теплоноситель первого контура содержится в одном резервуаре, который должен быть относительно большим (высоким), чтобы вместить все компоненты системы первого контура. Это приводит к тому, что количество воды внутри емкости намного больше на единицу мощности, чем для PWR с внешним контуром, и увеличивает общую теплоемкость и тепловую инерцию системы. Это, в свою очередь, приводит к более медленному реагированию системы на переходные процессы внутренней температуры и дает системе управления установкой и операторам больше времени для реагирования на переходные процессы.Например, запас воды в первичном резервуаре в модуле NuScale примерно в четыре раза больше на единицу мощности, чем для традиционного контура PWR.

Наличие парогенераторов внутри первичного резервуара обеспечивает внутренний, легкодоступный радиатор для отвода остаточного тепла и облегчает реализацию вариантов пассивного отвода тепла во вторичной системе.

Увеличенная площадь райзера над активной зоной обеспечивает возможность внутреннего размещения приводных механизмов управляющих стержней (CRDM), тем самым исключая другой потенциально серьезный сценарий аварии: аварию с выбросом стержня, при которой стержень управления непреднамеренно перемещается. вверх из активной зоны реактора.При использовании внутренних CRDM перемещение стержня управления ограничивается внутренними компонентами верхнего сосуда. Внутренние CRDM также уменьшают количество проникновений в крышку корпуса реактора, что снижает вероятность возникновения аварийной ситуации, которая произошла на заводе Davis-Besse в 2008 году. В этом случае борная кислота в охлаждающей воде просочилась через регулирующий стержень. проникающее уплотнение и корродировало основной материал сосуда. 11 Только тонкая внутренняя гильза из нержавеющей стали предотвратила серьезное нарушение границы давления в сосуде.Некоторые конструкции iPWR используют эту функцию, в то время как другие используют внешние CRDM.

В некоторых конструкциях iPWR между активной зоной реактора и первичным корпусом существует большая область сливного стакана из-за относительного размещения парогенераторов радиально наружу от активной зоны реактора. Дополнительная вода в этой области обеспечивает эффективную защиту от прямого излучения и приводит к более низкому радиационному облучению корпуса реактора. Это снижает уровень активации материала корпуса и снижает еще одну серьезную проблему безопасности: тепловой удар под давлением, который возникает в результате радиационно-индуцированного охрупчивания корпуса реактора.

Основным недостатком интегральной конструкции является то, что она ограничивает реактор относительно небольшими уровнями мощности, то есть заставляет реактор быть «намеренно маленьким». За пределами некоторого практического предела, вероятно, в диапазоне 300–400 МВт, размер судна станет недопустимо большим для производства и транспортировки. Чтобы компенсировать его неспособность масштабироваться в размерах, разработчики iPWR вместо этого полагаются на масштабирование путем репликации, отсюда и интерес к небольшим модульным реакторам .Примером этого является проект NuScale, 12 , в котором используются двенадцать модулей iPWR мощностью 50 МВт, составляющих эталонный проект станции, и проект Babcock & Wilcox mPower, 13 , в котором используются два или четыре модуля мощностью 180 МВт для создания своей установки SMR. .

Конструкция компонентов системы первого контура с высоким соотношением сторон увеличивает безопасность и надежность за счет облегчения естественной циркуляции теплоносителя первого контура. В случае iPWR, размещение всех компонентов первичной системы в одном корпусе, а также ограничение диаметра корпуса до пределов автомобильного или железнодорожного транспорта, приводит к тому, что корпус реактора iPWR становится пропорционально выше, чем для PWR петлевого типа.Например, отношение высоты корпуса к диаметру для типичного большого реактора PWR составляет примерно 3,0, а для большого реактора с кипящей водой (BWR) — примерно 2,0. Напротив, конструкции NuScale и mPower имеют соотношение сторон в диапазоне 6,0–6,5. Это увеличение соотношения сторон усиливает формирование естественной циркуляции теплоносителя под действием силы тяжести, что улучшает отвод тепла от активной зоны и обеспечивает эффективные средства передачи тепла так называемому «конечному поглотителю тепла», даже если мощность для привода насосы циркуляции охлаждающей жидкости не работают.В некоторых конструкциях iPWR, таких как NuScale, движущая сила естественной циркуляции спроектирована так, чтобы быть достаточно сильной для использования в качестве механизма охлаждения активной зоны для работы на полной мощности, что полностью исключает необходимость в насосах. В конструкции Holtec SMR-160 также используется естественная циркуляция для нормальной работы, хотя это не строго конфигурация iPWR. Для этого парогенератор помещается в очень высокий сосуд, который находится сверху и плотно соединен с отдельным корпусом реактора. В таблице 5.2 приведены параметры соотношения сторон для трех конструкций US iPWR по сравнению с традиционным PWR петлевого типа.

Таблица 5.2. Сравнение размеров корпуса реактора для традиционного PWR петлевого типа и нескольких существующих SMR iPWR

Параметр PWR петлевого типа Интегральные конструкции PWR
NuScale mPower W-SMR
Высота (м) 13,4 17,4 25,3 24,7
Диаметр (м) 4,6 2.9 3,9 3,5
Соотношение сторон 2,9 6,0 6,5 7,1

% PDF-1.4 % 6571 0 объект > эндобдж xref 6571 122 0000000016 00000 н. 0000002815 00000 н. 0000003045 00000 н. 0000003198 00000 п. 0000044679 00000 п. 0000044841 00000 п. 0000044928 00000 п. 0000045016 00000 п. 0000045119 00000 п. 0000045363 00000 п. 0000045425 00000 п. 0000045602 00000 п. 0000045664 00000 п. 0000045855 00000 п. 0000045981 00000 п. 0000046043 00000 п. 0000046192 00000 п. 0000046254 00000 п. 0000046406 00000 п. 0000046468 00000 н. 0000046795 00000 п. 0000046857 00000 п. 0000047039 00000 п. 0000047101 00000 п. 0000047271 00000 п. 0000047333 00000 п. 0000047507 00000 п. 0000047569 00000 п. 0000047772 00000 п. 0000047834 00000 п. 0000047896 00000 п. 0000048007 00000 п. 0000048069 00000 п. 0000048243 00000 п. 0000048414 00000 н. 0000048476 00000 п. 0000048676 00000 п. 0000048738 00000 п. 0000048884 00000 н. 0000048946 00000 н. 0000049132 00000 п. 0000049194 00000 п. 0000049388 00000 п. 0000049450 00000 п. 0000049593 00000 п. 0000049655 00000 п. 0000049717 00000 п. 0000049826 00000 п. 0000049888 00000 п. 0000050102 00000 п. 0000050164 00000 п. 0000050368 00000 п. 0000050430 00000 п. 0000050540 00000 п. 0000050636 00000 п. 0000050698 00000 п. 0000050834 00000 п. 0000050896 00000 п. 0000051039 00000 п. 0000051101 00000 п. 0000051163 00000 п. 0000051340 00000 п. 0000051402 00000 п. 0000051502 00000 п. 0000051602 00000 п. 0000051664 00000 п. 0000051794 00000 п. 0000051856 00000 п. 0000052000 00000 н. 0000052062 00000 н. 0000052124 00000 п. 0000052312 00000 п. 0000052373 00000 п. 0000052473 00000 п. 0000052587 00000 п. 0000052648 00000 п. 0000052782 00000 п. 0000052843 00000 п. 0000052980 00000 п. 0000053041 00000 п. 0000053177 00000 п. 0000053238 00000 п. 0000053299 00000 п. 0000053413 00000 п. 0000053474 00000 п. 0000053602 00000 п. 0000053733 00000 п. 0000053794 00000 п. 0000053957 00000 п. 0000054018 00000 п. 0000054188 00000 п. 0000054249 00000 п.! +) / П-44 / V 1 / Длина 40 >> эндобдж 6574 0 объект > эндобдж 6691 0 объект > транслировать ‘W- + u_% ģAyWQj | Ԯ Յ T] E \ CxɗD8260I.j / MNLeV | hhW6yt ֏ & 0 ZQYQ @ v ~ (KPVy-O,! & Ɨ ڇ 5 Ћ_b? ​​& Q8! 8Y, 6% ɜezICwmAK ٙ R 蔔 S’N5cQ | K 䀗 lSl6 [~ z4g’ABxVhq.kVS`4; 1aj | /f.vh̽G -0`Nw Отвод тепла от трубопровода

Погружен в воду

Теплоотдача от паровых или водяных труб или трубок, погруженных в воду:

Разница температур пара / воды в трубе и окружающей воды Скорость передачи тепла в окружающую воду
( o F) ( o C) (BTU / (ft 2 h o F)) (W / (m 2 o) C))
50 28 100 — 225570 — 1280
100 56 175 — 300 1000 — 1700
200 111 225 — 475 1300 — 2700

Нет Т.е. при более высокой разнице температур происходит более активное движение воды со стороны воды и увеличивается скорость теплопередачи.Принудительная или вспомогательная циркуляция на стороне воды также приводит к более высокой скорости теплопередачи, как показано ниже.

Для практических применений — скорость теплопередачи может быть примерно установлена ​​на:

Тип приложения Скорость теплопередачи в окружающую воду
(БТЕ / (футы 2 ч o ) F)) (Вт / (м 2 o C))
Змеевики резервуара с паром низкого давления, естественная циркуляция в резервуаре 100 570
Змеевики резервуара с паром высокого давления, естественная циркуляция в резервуаре 200 1100
Змеевики резервуара с паром низкого давления, принудительная циркуляция в резервуаре 200 1100
Змеевики резервуара с паром высокого давления, принудительный циркуляция в резервуаре 300 1700

Пример — паровой змеевик в воде

A DN25 (1 «) Стандартный паровой змеевик из одного Счетчик погружен в воду с температурой 20 o C .Давление пара составляет прибл. 1 бар при температуре пара ок. 120 o С .

Площадь погружного змеевика можно рассчитать как:

A = (1 м) 2 π (0,0334 м) / 2

= 0,10 м 2

С паром низкого давления и без Из приведенной выше таблицы мы предполагаем, что скорость теплопередачи составляет 570 Вт / м 2o C .

Затем можно рассчитать теплопередачу от пара к воде:

Q = (570 Вт / (м 2o C)) (0.10 м 2 ) (120 o C — 20 o C)

= 5700 Вт

= 5,7 кВт

(PDF) Теплопередача однофазной естественной циркуляции Контур с нагревательными и охлаждающими жидкостями

6 Имя автора / Энергетические процедуры 00 (2017) 000–000

(c) скорость теплопередачи

Рис. 3 Изменение (a) числа Рейнольдса в установившемся режиме, (b) модифицированного числа Грасгофа и (c) скорость теплопередачи

при различных перепадах температуры при различных диаметрах контура

4.Выводы

В данной работе были аналитически исследованы теплообменные и расходные характеристики SPNCL в установившемся режиме с теплообменниками типа «труба в трубе»

для нагрева и охлаждения. Соответствующие формулы получены для расчета

распределений температуры вдоль контура, и показано, что установившееся число Рейнольдса, модифицированное число Грасгофа

и скорость теплопередачи увеличиваются с увеличением ведомой разницы температур.А в устойчивом состоянии

число Рейнольдса увеличивается с увеличением диаметра петли. Влияние диаметра контура на модифицированное число Грасгофа

относительно слабо при более высокой разнице температур. Для скорости теплопередачи она увеличивается с

до

при увеличении диаметра контура за счет уменьшения разницы температур ΔTr.

Благодарности

Работа выполнена при финансовой поддержке Национального научного фонда Китая (грант №41574176 и

41672234)

Ссылки

[1] Саха Р., Сен С., Мукхерджи С. Экспериментальное и численное исследование однофазного прямоугольного контура естественной циркуляции. J. Теплопередача:

2015; 137; 12.

[2] Мисале М., Гарибальди П., Пассос Дж. К. Эксперименты в однофазной мини-петле с естественной циркуляцией. Эксп. Наука о термальных жидкостях; 2007; 31; 8: 1111-1120.

[3] Гоударзи Н., Талеби С. Подход к анализу устойчивости и минимизации генерации энтропии в однофазных контурах естественной циркуляции.

Энергия; 2014; 80: 213-226.

[4] Виджаян П.К. Экспериментальные наблюдения за общими тенденциями установившегося состояния и устойчивости однофазных контуров естественной циркуляции.

Nucl. Eng.Des; 2002; 215; 1: 139-152.

[5] Наяк А.К., Гартия М.Р., Виджаян П.К. Экспериментальное исследование поведения однофазной естественной циркуляции в прямоугольной петле с наножидкостями Al2O3

. Exp. Therm Fluid Sci; 2008; 33; 1: 184-189.

[6] Рао Н.М., Мишра М., Маити Б., Дас П.К.Влияние параметров концевого теплообменника на работу контура естественной циркуляции. Int. Com .Heat

Mass Transfer; 2002; 29; 4: 509-518.

[7] Рао Н.М., Мишра М., Маити Б., Дас ПК. 2005. Динамические характеристики контура естественной циркуляции с торцевыми теплообменниками при различных возбуждениях

. Int. Com. Тепломассообмен; 2005; 48; 15: 3185-3196.

[8] Рао Н.М., Мишра М., Маити Б., Дас П.К. Устойчивость контура естественной циркуляции с торцевыми теплообменниками.Ж. Теплопередача; 2005; 127; 7:

749-759.

[9] Рао Н.М., Мишра М., Маити Б., Дас П.К. Работа в установившемся режиме однофазного контура естественной циркуляции с торцевыми теплообменниками. J. Heat

Передача; 2008; 130; 8: 1325-1329.

[10] Ядав А.К., Гопал М.Р., Бхаттачарья С.Ф. Анализ контура естественной циркуляции на основе CO2 с концевыми теплообменниками. Прил. Therm. Англ.

2012; 36; 2: 288-295.

[11] Кумар К.К., Гопал М.Р. ,. Стационарный анализ контуров естественной циркуляции на основе СО2 с концевыми теплообменниками.Прил. Therm. Анг; 2009; 29; 10:

1893–1903.

Вопросы и ответы: резервное горячее водоснабжение без насоса

A. Джозеф Стоддард отвечает: В описанной вами ситуации вы можете получить приемлемые результаты без помпы. Контур «пассивной рециркуляции» горячей воды — это метод, которому я научился у старого водопроводчика много лет назад. Я неоднократно успешно использовал эту технику, когда ванная комната располагалась над водонагревателем. Обеспечивая обратный трубопровод к резервуару для горячей воды, создается естественная циркуляция (называемая термосифоном).Более холодная вода в ванне наверху опускается обратно к водонагревателю, а горячая вода из водонагревателя поднимается вверх и заменяет ее.

У меня были приемлемые результаты, используя медные возвратные трубопроводы диаметром 1/2 дюйма, но я бы предостерегал от использования возвратных труб меньшего диаметра: они могут не позволить достаточному количеству воды циркулировать через петлю.

Для установки пассивной рециркуляционной системы:

1. Отключите питание электрического водонагревателя и закройте кран подачи газа на газовый водонагреватель.Перекрыть подачу воды к водонагревателю.

2. Слейте воду из водонагревателя и соответствующих линий горячей воды и снимите сливной кран в нижней части водонагревателя.

3. Установите тройник с резьбой между баком и сливным краном (см. Рисунок слева). Чтобы предотвратить биметаллическую коррозию, шпильку тройника следует изготавливать из того же материала труб, который используется для соединения сливного крана с резервуаром. Замените сливной кран на конце узла тройника.

4. Установить тройник в линию горячего водоснабжения мойки. Этот тройник следует устанавливать на подающей магистрали как можно выше.

5. Протяните обратную трубу от тройника в верхней точке обратно к тройнику в баке с горячей водой и проверьте герметичность.

Изолируйте как можно большую часть трубопровода на стороне подачи, но оставьте обратный контур неизолированным. Это снизит потери тепла в режиме ожидания, а также поможет поддерживать перепад температур, который «подпитывает» этот пассивный контур рециркуляции.

Бывший строитель Джозеф Стоддард проектирует и продает системы отопления для компании Bailey Co. в Эльмире, штат Нью-Йорк.

Простая резервная горячая вода

границ | Исследование характеристик теплопередачи естественной циркуляции различных жидких металлов на основе факторного анализа

Введение

Естественная циркуляция имеет очень широкую перспективу применения в обеспечении безопасности реакторов, а также широко используется в других отраслях промышленности. Пассивная естественная циркуляция (Ma et al., 2017; Wang et al., 2018; Ягов и др., 2019) может упростить систему в реакторе и снизить зависимость системы от надежности внешнего источника питания, что значительно повысит внутреннюю безопасность реактора. Показатели безопасности AP1000 третьего поколения (Hashim et al., 2014) в 100 раз выше, чем у АЭС второго поколения. Одной из его особенностей является то, что система безопасности использует принцип пассивной естественной циркуляции во многих местах. В реакторе GM SBWR (Duncan, 1988) и в шведском реакторе PIUS используется естественная циркуляция для обеспечения безопасности реактора.Американские атомные подводные реакторы S5G, S6G и S8G (Liu, 2015) представляют собой реакторы с водой под давлением с естественной циркуляцией. Первоначальный интерес к изучению жидких металлов был связан с проектированием реакторов на быстрых нейтронах. Это происходит главным образом потому, что жидкий металл (Xie et al., 2016) имеет активную зону с высокой плотностью мощности, отличные тепловые и ядерно-физические свойства, что позволяет эффективно извлекать энергию из реактора. В настоящее время теплоносителем реактора-размножителя на быстрых нейтронах, разработанного различными странами, в основном является натрий или натрий-калиевый сплав.Химические свойства натрия и сплава натрий-калий особенно активны. Они легко вступают в реакцию с водой, кислородом и т. Д., Вызывая возгорание или даже взрыв. Поэтому изучение характеристик теплопередачи теплоносителя является очень важным техническим вопросом и вопросом безопасности при эксплуатации, техническом обслуживании и выводе из эксплуатации быстрых реакторов с натриевым теплоносителем. Жидкий свинец и свинцово-висмутовый сплав (Gaiying et al., 2012) являются основными материалами-кандидатами для охлаждающей жидкости ADS, которая обладает превосходными тепловыми свойствами, такими как высокая плотность, химическая инерция и способность естественной циркуляции, аналогичная воде.Принимая во внимание характеристики теплопередачи естественной циркуляции жидкого металла, ученые из разных стран провели в последние годы некоторые исследования. Чанг и Хан (2002) использовали программное обеспечение SSC-K для расчета кипения натрия при тяжелой аварии KALIMER и получили кривые межфазной теплопередачи, толщины жидкой пленки и коэффициента теплопередачи. Ma et al. (2007) изучили установившееся состояние естественной циркуляции контуров тяжелых металлов и пришли к выводу, что разница температур между геометрией системы и горячим и холодным участками влияет на естественный циркуляционный поток флюидов тяжелых металлов.На основе экспериментального стенда NACIE Тарантино и др. (2008) провели соответствующее исследование потока естественной циркуляции свинцово-висмутового сплава и проанализировали экспериментальные результаты. Gao et al. (2015) измерили коэффициент диффузии Ni и Cr в жидком сплаве свинец-висмут с помощью капиллярной трубки и получили коэффициент диффузии LBE из экспериментальных данных по концентрации никеля. Watanabe et al. (2015) изучали метод оценки системы отвода остаточного тепла естественной циркуляции быстрого реактора с натриевым теплоносителем.Надежность анализа безопасности быстрого реактора с натриевым теплоносителем была проверена путем сравнения с трехмерным анализом модели турбулентности. Borgohain et al. (2016) провели эксперимент с естественной циркуляцией в цепи свинец-висмут неоднородного диаметра. Естественная циркуляция установившегося и переходного режимов выполняется при различных режимах мощности. Факторный анализ — это многофакторный и многоуровневый экспериментальный план. Он может проверить не только разницу между уровнями каждого фактора, но и взаимодействие между факторами.Когда уровень одного фактора изменяется, влияние другого фактора или нескольких факторов изменяется, что указывает на наличие взаимодействия; в противном случае это означает отсутствие взаимодействия и независимость. Среди приведенных выше результатов исследований изучалась только естественная циркуляция отдельного жидкого металла, а взаимодействие между факторами, влияющими на теплопередачу естественной циркуляции, не анализировалось. Сравнивая естественный циркуляционный поток и характеристики теплопередачи различных жидких металлов, можно получить общие черты и различия в правилах теплопередачи, что имеет решающее значение для повышения безопасности реактора.

Исследовательский объект

Геометрическая модель

Модель естественной циркуляции разработана ANSYS ICEM и в основном включает секцию предварительного нагрева, секцию входа нагрева, секцию нагрева, секцию выхода нагрева, секцию охлаждения и секцию нисходящего потока. Конкретная структура модели показана на рисунке 1.

Рисунок 1 . Петля естественной циркуляции.

Как видно из рисунка 1, модель естественной циркуляции различных жидких металлов равна 2.Высота 5 м, ширина 3,5 м, диаметр трубы 4 мм. Длина секции предварительного нагрева составляет 3,5 м, длина секции нагрева на входе — 0,25 м, длина секции нагрева — 2 м, длина секции нагрева — на выходе — 0,25 м, секции охлаждения — 3,5 м, и нисходящий участок 2,5 м. Секция предварительного нагрева используется для предварительного нагрева рабочей жидкости в трубопроводе до заданной температуры. Секция нагрева используется для продолжения нагрева рабочей жидкости и достижения рабочей температуры.Секция охлаждения используется для охлаждения рабочего тела в трубопроводе, и, наконец, рабочая жидкость образует естественную циркуляцию в трубопроводе. Чтобы гарантировать, что разница в потоке и теплопередаче не зависит от таких условий, как размер и высота петли, геометрические модели различных жидких металлов согласованы.

Создание сетки

Контур естественной циркуляции является сетчатым, и часть структуры сетки показана на Рисунке 2.

Рисунок 2 .Разбиение сетки.

Как видно из рисунка 2, модель контура естественной циркуляции имеет сетку о-типа. Чтобы повысить точность расчета, граничный слой зашифрован в настройках сетки, а количество сеток равно 823674. Соответствующая информация о конкретном разделении узлов в каждой позиции показана в таблице 1.

Таблица 1 . Информация о делении узлов сети.

Граничные условия

Граничные условия согласованы при изучении характеристик теплопередачи естественной циркуляции различных жидких металлов.Поскольку температура плавления свинца высока, начальная температура области жидкости устанавливается равной 610 К. Когда мощность слишком велика, температура жидкости на выходе очень высока. По сравнению со свинцом и сплавом свинец-висмут, натрий и сплав натрий-калий имеют более низкую температуру кипения. Чтобы металл оставался в однофазном жидком состоянии, максимальная регулируемая мощность составляет 30 кВт / м 2 . В жидком диапазоне были изучены характеристики теплопередачи естественной циркуляции четырех металлов.Исходные параметры приведены в таблице 2.

Таблица 2 . Диапазон параметров.

Для удобства анализа мощность, давление и температура обозначены буквами A, B и C соответственно. Тогда эффект взаимодействия мощности и давления равен AB, эффект взаимодействия мощности и температуры — AC, эффект взаимодействия давления и температуры — BC, а эффект полного взаимодействия мощности, давления и температуры — ABC. .

Информация о стандартах конвергенции

В настройках управления решателя конкретные настройки решателя и информация о критериях сходимости показаны в таблице 3.

Таблица 3 . Сходимость стандартной информации.

Анализ чувствительности сетки

Влияние количества сеток на результаты расчетов было изучено для проверки чувствительности сетки. Количество сеток — 21640, 548262, 823674 и 1041780 соответственно. На примере сплава свинец-висмут изменение температуры основного потока в зависимости от осевого положения секции нагрева показано на рисунке 3.

Рисунок 3 . Анализ чувствительности сети.

Из рисунка 3 видно, что температуры основного потока в различных осевых положениях в основном одинаковы при количестве ячеек 823674 и 1041780. Следовательно, более целесообразно разделить число ячеек на 823674 на основе экономичного и точного расчета. процесс.

Расчетная модель факторного анализа

Факторный анализ (Jingjing et al., 2014) — это метод экспериментального дизайна, который можно использовать для изучения влияния отдельных факторов и взаимодействия между факторами.Когда уровень и количество факторов невелики, а взаимосвязь между факторами и эффектами более сложна, факторный анализ является хорошим аналитическим инструментом. Двухуровневый факторный тест k факторов записывается как факторный анализ 2 k (представляющий k факторов, каждый фактор имеет 2 уровня). Это наиболее часто используемый метод анализа, который может использовать относительно небольшую выборку для получения дополнительной информации, особенно факторный интерактивный анализ. Сравнение эффекта AB K показано в уравнении (1).

(Контраст) AB… K = (a ± 1) (b ± 1) ⋯ (k ± 1) (1)

(1) В формуле (1) (Контраст) AB … K представляет собой сравнение эффектов; a, b и k представляют соответствующие коэффициенты. В расширении (1) используйте метод элементарной алгебры, чтобы расширить его, и замените «1» на [1], что означает, что все факторы принимают низкий уровень. Отрицательный знак в круглых скобках означает, что коэффициент принят, а положительный знак указывает, что коэффициент не принимается. После того, как эффекты рассчитаны, их предполагаемые эффекты и их сумма квадратов могут быть рассчитаны отдельно.

AB ⋯ K = 22nk (ContrastAB ⋯ K) (2) SSAB ⋯ K = 12nk (ContrastAB ⋯ K) 2 (3)

Среди них AB… K представляет собой оценку эффекта, SS AB… K представляет собой сумму квадратов эффектов, n представляет собой количество повторных экспериментов.

y — это значение ответа, x i ( i = 1, 2, 3) представляет каждый фактор, а формула подбора показана в (4).

y = α0 + ∑αixi + ∑αijxixj + α123x1x2x3 (4)

Среди них α 0 , α i , α ij , α 123 — это, соответственно, среднее значение, влияние фактора i, влияние взаимодействия факторов i и j. , эффект взаимодействия трех факторов.

Результаты расчетов

Влияние мощности нагрева на теплопередачу потока

Влияние мощности на коэффициент теплопередачи

Рабочие жидкости: жидкий натрий, натрий-калиевый сплав, свинец и свинцово-висмутовый сплав. Предварительно установленное давление в системе составляет 1 МПа, температура секции предварительного нагрева — 620 K, температура секции охлаждения — 610 K, а удельная мощность колеблется от 2 до 30 кВт / м 2 . Тенденция изменения коэффициента теплопередачи четырех жидких металлов в зависимости от мощности показана на рисунке 4.

Рисунок 4 . Влияние мощности нагрева на коэффициенты теплоотдачи различных жидких металлов.

Из рисунка 4 видно, что коэффициент теплопередачи жидкого натрия уменьшается с увеличением мощности нагрева, а коэффициент теплопередачи натрий-калиевого сплава сначала увеличивается, а затем уменьшается с увеличением мощности. Коэффициент теплопередачи свинца и свинца-висмута увеличивается с увеличением мощности. Хотя коэффициент теплопередачи жидкого натрия отрицательно коррелирует с мощностью, коэффициент теплопередачи натрия намного больше, чем у натрий-калиевого сплава, свинца и свинцово-висмутового сплава.Поскольку жидкий металл имеет общее физическое свойство, его молекулярная теплопроводность велика, а молекулярное число Прандтля намного меньше, чем у обычной жидкости. Следовательно, молекулярная термодиффузионная способность намного лучше, чем импульсная диффузионная способность, молекулярная теплопроводность сильнее, чем турбулентный перенос тепла, а теплопроводность играет роль в обеспечении теплопередачи. Теплопроводность жидкого натрия больше, чем у трех других жидких металлов, а его удельная теплоемкость при постоянном давлении выше, чем у других металлов.Таким образом, эффективность теплопередачи лучше при тех же условиях мощности. Тенденция изменения коэффициента теплопередачи четырех металлов в зависимости от мощности в основном зависит от теплопроводности и разницы температур между горячей и холодной секциями. По мере увеличения мощности температура жидкости увеличивается. Теплопроводность жидкого натрия уменьшается с повышением температуры. В то же время с увеличением мощности разница температур между холодной и горячей секциями жидкости увеличивается, а тепловая движущая сила жидкости также увеличивается, поэтому теплопередача жидкости увеличивается.По сравнению с тремя другими жидкими металлами, теплопроводность жидкого натрия сильно зависит от мощности. Теплопроводность занимает доминирующее положение, а усилением теплопередачи, вызванным разницей температур, можно пренебречь. Следовательно, тенденция изменения коэффициента теплопередачи согласуется с тенденцией изменения теплопроводности. Для свинца и свинца-висмута теплопроводность меньше зависит от температуры, а увеличение разницы температур, вызванное мощностью, увеличивает способность к теплопередаче.В результате коэффициент теплопередачи свинца и свинца-висмута увеличивается с увеличением мощности. Коэффициент теплопередачи натрий-калиевого сплава сначала увеличивается, а затем уменьшается с увеличением мощности. Следовательно, этому способствует коэффициент теплопроводности и разница температур при небольшой мощности. Коэффициент теплопередачи увеличивается сначала с увеличением мощности, и скорость увеличения является быстрой. Когда мощность велика, теплопроводность уменьшается с увеличением мощности, и тормозящее влияние теплопроводности на теплопередачу больше, чем стимулирующее влияние разницы температур на теплопередачу.Таким образом, коэффициент теплопередачи натрий-калиевого сплава уменьшается с увеличением мощности, а уменьшение скорости происходит медленно.

Влияние мощности на массовый расход

При неизменных граничных условиях массовый расход четырех жидких металлов изменяется в зависимости от мощности, как показано на Рисунке 5.

Рисунок 5 . Влияние мощности нагрева на массовый расход различных жидких металлов.

Как видно из рисунка 5, массовые расходы жидкого натрия, натрий-калиевого сплава, свинца и сплава свинец-висмут увеличиваются с увеличением мощности.Массовый расход свинца и сплава свинец-висмут больше, чем у сплава натрия и натрия-калия. Это главным образом потому, что плотность свинца и свинца-висмута намного выше, чем плотность натрия и натрия-калия. Даже если скорость потока свинца и свинца-висмута мала, массовый поток будет выше, чем у натрия и натрия-калия. Поэтому обычно бывает более точным, сравнивая скорость потока при сравнении циркуляционной способности различных жидких металлов.

Влияние мощности на скорость

Поддержание постоянных граничных условий и изменение скорости в зависимости от мощности, как показано на рисунке 6.

Рисунок 6 . Влияние мощности нагрева на скорость движения различных жидких металлов.

Из рисунка 6 видно, что скорость различных жидких металлов увеличивается с увеличением мощности. Скорость натрия калия была самой высокой, за ней следовала скорость натрия, а скорость свинца и висмута была самой низкой. Вначале разница в скоростях между четырьмя жидкими металлами невелика. По мере увеличения мощности разрыв между скоростями увеличивается.Это в основном связано с тем, что температура жидкости увеличивается с увеличением мощности, тепловое расширение жидкости вызывает увеличение разницы плотностей между горячей и холодной секциями, что приводит к увеличению напора привода и увеличению скорости. . По сравнению с тремя другими жидкими металлами, плотность натрий-калиевого сплава сильнее изменяется с температурой, поэтому его скорость наиболее резко увеличивается с увеличением мощности. Среди четырех жидких металлов способность сплава натрия и калия к естественной циркуляции является самой высокой.

Влияние мощности на температуру на выходе

Граничные условия остаются постоянными, а изменения температуры на выходе четырех жидких металлов при включении питания показаны на Рисунке 7.

Рисунок 7 . Влияние мощности нагрева на температуру различных жидких металлов на выходе.

Как видно из рисунка 7, температуры на выходе различных жидких металлов увеличиваются с увеличением мощности. При такой же мощности натрий-калиевый сплав имеет самую высокую температуру на выходе.При более низкой мощности нагрева температура на выходе из свинца и свинца-висмута ниже температуры на выходе из натрия. Когда мощность достигает примерно 5 кВт / м 2 , выходная температура свинца и свинца-висмута превышает температуру натрия, и сохраняется тенденция к превышению. Это связано с тем, что удельная теплоемкость натрия больше, чем у свинца и сплава свинец-висмут. Следовательно, повышение температуры, вызванное свинцом и свинцом-висмутом, больше, когда поглощается одно и то же тепло. При меньшей мощности теплопроводность абсолютно превосходит удельную теплоемкость жидкого натрия.В результате жидкий натрий может поглощать больше тепла при той же мощности, и эффективность теплопередачи выше. Следовательно, его температура на выходе больше, чем у свинца и свинца-висмута в целом. При дальнейшем увеличении мощности теплопроводность натрия уменьшается с увеличением мощности, теплопроводность свинца и свинца-висмута увеличивается с увеличением мощности. Таким образом, преимущество в теплопроводности натрия ослабляется, и разница в теплопроводности между натрием и свинцовым сплавом свинец-висмут уменьшается.При этом доминирующее положение занимает разница в удельной теплоемкости, что приводит к более высокой выходной температуре свинца и свинца-висмута.

Влияние давления на теплопередачу потока

Рабочие жидкости: жидкий натрий, натрий-калиевый сплав, свинец и свинцово-висмутовый сплав. Температура секции предварительного нагрева составляет 620 К, температура секции охлаждения составляет 610 К, удельная мощность составляет 20 кВт / м 2 , а значения давления составляют 1, 2, 3, 4 и 5 МПа соответственно.Коэффициент теплопередачи, массовый расход, скорость и температура на выходе четырех жидких металлов изменяются в зависимости от давления, как показано на Рисунке 8.

Рисунок 8 . Эффект давления. (A) Влияние давления на коэффициент теплопередачи, (B) влияние давления на массовый расход, (C) влияние давления на скорость и (D) влияние давления на температуру на выходе.

Как видно из рисунка 8, коэффициент теплопередачи жидкого натрия имеет тенденцию немного уменьшаться с увеличением давления, в то время как у сплава натрий-калий, с другой стороны, имеет тенденцию к увеличению.Из раздела «Влияние факторов на коэффициент теплопередачи» можно увидеть, что на коэффициент теплопередачи натрия в основном влияет взаимодействие мощности и давления, и коэффициент вклада составляет около 32,73%. Следовательно, давление влияет на коэффициент теплопередачи за счет связи с мощностью. Для натрий-калиевых сплавов на коэффициент теплопередачи влияет взаимодействие температуры и давления на входе. Давление влияет на коэффициент теплопередачи за счет связи с температурой на входе.Для свинца и свинца-висмута нет взаимодействия между давлением и мощностью или температурой, поэтому его коэффициенты теплопередачи мало меняются с давлением. В целом влияние давления на коэффициент теплопередачи жидких металлов не очевидно. Давление практически не влияет на массовый расход, скорость и температуру жидкого металла на выходе. При одном и том же давлении скорость движения натрий-калиевого сплава, натрия, свинцово-висмутового сплава и свинца последовательно уменьшается. Скорость не изменяется с давлением, потому что плотность жидкого металла меньше зависит от давления.Повышение давления не вызывает изменения разницы плотностей горячего и холодного участков. Приводная головка системы имеет тенденцию к устойчивости, поэтому скорость потока жидкого металла не изменяется. Влияние давления на физические свойства жидкого металла невелико, поэтому температура на выходе различных жидких металлов имеет тенденцию быть стабильной.

Влияние температуры на входе на теплопередачу потока

Рабочие жидкости: жидкий натрий, натрий-калиевый сплав, свинец и свинцово-висмутовый сплав.Температура секции охлаждения составляет 610 K, удельная мощность составляет 20 кВт / м 2 , а температура секции предварительного нагрева — это температура на входе секции нагрева, и значения составляют 620, 650, 680, 710 и 740 K, соответственно. Коэффициент теплопередачи, массовый расход, скорость и температура на выходе четырех жидких металлов зависят от температуры на входе, как показано на Рисунке 9.

Рисунок 9 . Влияние температуры на входе. (A) Влияние температуры на входе на коэффициент теплопередачи, (B) влияние температуры на входе на массовый расход, (C) влияние температуры на входе на скорость потока и (D) влияние температуры на входе от температуры на выходе.

Как видно из рисунка 9, коэффициент теплопередачи жидкого натрия уменьшается с увеличением температуры на входе. Температура на входе не влияет на коэффициент теплопередачи натрий-калиевого сплава, свинца и свинца-висмута. Это происходит главным образом потому, что теплопроводность жидкого натрия значительно изменяется с температурой, в то время как теплопроводность натрий-калиевых сплавов, свинца и свинца-висмута имеет меньшую тенденцию с температурой. Массовый расход, скорость и температура жидкого металла на выходе увеличиваются с увеличением температуры на входе.Плотность свинца и сплава свинец-висмут намного больше, чем у сплава натрия и натрия-калия, поэтому увеличение массового расхода более очевидно, чем у последнего. Однако увеличение скорости сплава натрий-калий и натрия было немного больше, чем у свинца и сплава свинец-висмут. При определенной мощности увеличение температуры жидкого металла на входе вызывает увеличение температуры на выходе, что приводит к увеличению разницы температур между горячей и холодной секциями.В то же время это увеличивает движущую силу системы. Таким образом, скорость жидкого металла увеличивается с увеличением температуры на входе. Скорость увеличения выходной температуры сплава свинец-висмут больше, чем у свинца. Следовательно, когда температура на входе увеличивается до определенного значения, температура на выходе из свинца-висмута выше, чем температура на выходе из свинца. Это происходит главным образом потому, что удельная теплоемкость свинца увеличивается с увеличением температуры, а удельная теплоемкость свинца-висмута уменьшается с увеличением температуры, поэтому при поглощении того же количества тепла тенденция увеличения температуры свинца -висмут более очевиден.

Проверка результатов моделирования

Ma et al. (2007) провели экспериментальное исследование массового расхода и скорости естественной циркуляции свинца-висмута. Сравнение результатов моделирования и экспериментальных данных показано на рисунке 10.

Рисунок 10 . Сравнение результатов эксперимента и моделирования.

На рисунке 10, из-за разницы в размере модели между экспериментом и симуляцией, метод безразмерного среднего используется для работы с разницей температур, массовым расходом и скоростью потока.ΔT — разность температур между горячей и холодной секциями, ΔT ср. — средняя разность температур, W — массовый расход, W ср. — средний массовый расход, U — скорость потока, а U ср. — средняя скорость потока. Расчетные данные сравниваются с экспериментальными данными безразмерным методом. Тенденция изменения результатов экспериментов и моделирования в основном одинакова, поэтому можно определить адаптивность установленной имитационной модели.

Факторный анализ

Влияние взаимодействия на коэффициент теплопередачи

С помощью метода факторного анализа анализируется взаимодействие между факторами. Влияние взаимодействия на коэффициенты теплопередачи различных жидких металлов показано на рисунке 11.

Рисунок 11 . Влияние взаимодействия на коэффициенты теплоотдачи различных жидких металлов. (A) Влияние натрия на коэффициент теплопередачи, (B) влияние на коэффициент теплопередачи натрий-калиевого сплава, (C) влияние на коэффициент теплопередачи свинца и (D) влияние на коэффициент теплопередачи свинца-висмута.

Из рисунка 11 видно, что влияние факторов на коэффициент теплопередачи естественного цикла жидкого металла. Когда действие одного фактора меняется с другими факторами, и разница между ними превышает диапазон случайных колебаний, указывается взаимодействие между ними. На рисунке 11, если две линии пересекаются, это означает, что существует взаимодействие между двумя факторами; если две линии почти параллельны, это означает, что взаимодействие между двумя факторами можно игнорировать.Среди факторов, влияющих на коэффициент теплопередачи жидкого натрия, есть взаимодействие между мощностью и давлением. Среди факторов, влияющих на коэффициент теплопередачи натрий-калиевых сплавов, есть взаимодействие между давлением и температурой на входе. Взаимодействие факторов, влияющих на коэффициент теплопередачи жидкого свинца, отсутствует. Что касается факторов, влияющих на коэффициент теплопередачи свинца-висмута, существует взаимодействие между мощностью и входной температурой; в то время как для мощности и давления, хотя две прямые линии имеют определенный наклон, они почти параллельны, и можно видеть, что взаимодействие невелико и им можно пренебречь.

Влияние факторов на коэффициент теплопередачи

Подставляя данные расчета в разделе «Результаты расчетов» в формулы (1) — (3), можно получить предполагаемый эффект и взаимодействие между факторами. Полунормальная вероятность влияния коэффициента теплопередачи показана на рисунке 12.

Рисунок 12 . Полунормальная вероятность влияния коэффициента теплоотдачи. (A) Влияние коэффициента теплопередачи натрия, (B) влияние коэффициента теплопередачи натрий-калиевого сплава, (C) влияние коэффициента теплопередачи свинца и (D) влияние коэффициент теплопередачи свинца-висмута.

На рисунке 12 пренебрежимо малый эффект распределен нормально и обычно падает рядом с линией на графике. Эффект дальше от прямой указывает, что фактор статистически значим и имеет наибольшее влияние на коэффициент теплопередачи. Доля процентного вклада эффекта определяется отношением суммы квадратов эффектов к общей сумме квадратов, что указывает на степень зависимости между влияющими факторами и коэффициентом теплопередачи.Для жидкого натрия, за исключением эффекта A, эффекта AB и эффекта C, другие эффекты незначительны. Эффект А отклоняется от линии дальше всего, указывая на то, что он имеет наибольшее влияние на коэффициент теплопередачи, и его доля составляет около 40,16%; степень вклада эффекта AB составляет около 32,73%, что указывает на взаимодействие между мощностью и давлением; ставка вклада эффекта C составляет около 6,79%. Для натрий-калиевого сплава эффект A имеет наибольшее влияние на коэффициент теплопередачи, и коэффициент вклада составляет около 78.16%; степень вклада эффекта BC в коэффициент теплопередачи составляет около 7,70%, что указывает на наличие взаимодействия между давлением и температурой на входе; другие эффекты незначительны для натрий-калиевых сплавов. Для жидкого свинца, за исключением эффекта A, другие эффекты незначительны, и степень вклада эффекта A в коэффициент теплопередачи составляет около 97,95%. Для сплавов свинец-висмут доля эффекта A составляет около 92,19%; коэффициент влияния AC составляет около 5.62%, поэтому существует взаимосвязь между мощностью и температурой на входе; другие эффекты пренебрежимо малы для сплавов свинец-висмут.

Заключение

Течение и теплопередача при естественной циркуляции жидкого металла были численно смоделированы с помощью CFX. Факторы влияния сравнивались с помощью факторного анализа. Было получено влияние мощности, давления и температуры на входе на коэффициент теплопередачи жидкого металла.

(1) Коэффициент теплопередачи жидкого натрия уменьшается с увеличением мощности, тогда как коэффициент теплопередачи жидкого свинца и свинца-висмута увеличивается с увеличением мощности, а коэффициент теплопередачи натрий-калиевого сплава увеличивается в первую очередь и затем уменьшается с увеличением мощности.В тех же условиях натрий имеет лучшие характеристики теплопередачи, а его коэффициент теплопередачи намного больше, чем у трех других жидких металлов. Сплав натрий-калий обладает самой сильной способностью к естественной циркуляции, а его скорость потока выше, чем у других жидких металлов.

(2) Давление практически не влияет на скорость потока и температуру на выходе жидкого металла. На коэффициент теплопередачи жидкого натрия и натрий-калиевого сплава влияет давление.На коэффициент теплопередачи натрия влияет взаимодействие мощности и давления, и коэффициент вклада составляет около 32,73%. Следовательно, давление влияет на коэффициент теплопередачи за счет связи с мощностью. Для натрий-калиевых сплавов давление влияет на коэффициент теплопередачи за счет связи с температурой на входе. Для свинца и сплава свинец-висмут нет взаимодействия между давлением и мощностью или температурой, поэтому их коэффициенты теплопередачи мало изменяются с давлением.

(3) Для коэффициента теплопередачи четырех жидких металлов мощность является наиболее важным фактором. Степень вклада мощности в коэффициенты теплопередачи жидкого натрия, натрий-калиевого сплава, свинца и свинцово-висмутового сплава достигла 40,16, 78,16, 97,95 и 92,19% соответственно. Помимо свинца, на коэффициенты теплопередачи натрия, натрий-калиевого сплава и сплава свинец-висмут влияет взаимодействие между факторами. Следовательно, при улучшении коэффициента теплопередачи натрия, сплава натрий-калий и сплава свинец-висмут невозможно просто проанализировать влияние одного из факторов, и необходимо всесторонне рассмотреть взаимосвязь между факторами.

Заявление о доступности данных

Все наборы данных, созданные для этого исследования, включены в статью / дополнительный материал.

Авторские взносы

Все перечисленные авторы внесли существенный, прямой и интеллектуальный вклад в работу и одобрили ее к публикации.

Финансирование

Этот проект поддержан Фондом естественных наук муниципалитета Пекина (3172032).

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Список литературы

Боргохайн А., Махешвари Н. К. и Виджаян П. К. (2016). Эксперименты с естественной циркуляцией в свинцово-висмутовой петле неоднородного диаметра и проверка кода LeBENC. Прогресс Атомная Энергия 91, 68–82. DOI: 10.1016 / j.pnucene.2016.03.005

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чанг, В. П., и Хан, Д. (2002). «Разработка модели двухфазного потока натрия для анализа керна Калимера», в Международная конференция по ядерной инженерии (Вашингтон, округ Колумбия: Американское общество инженеров-механиков), 333–341.

Google Scholar

Дункан, Дж. Д. (1988). SBWR, упрощенный реактор с кипящей водой. Nuclear Eng. Дизайн. 109, 73–77. DOI: 10.1016 / 0029-5493 (88)-4

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Gaiying, W., Qing, B., Sheng, G., Min, Z., and Qunying, H. (2012). Предварительные исследования технологии измерения концентрации кислорода в жидком свинце висмуте. Nuclear Sci. Англ. 32, 165–169. DOI: 10.3969 / j.issn.0258-0918.2012.02.012

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гао, Ю., Такахаши М., Номура М. (2015). Экспериментальное исследование диффузии Ni в эвтектике свинец-висмут (LBE). Energy Proc. 71, 313–319. DOI: 10.1016 / j.egypro.2014.11.884

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хашим, М., Йошикава, Х., Мацуока, Т., и Ян, М. (2014). Количественная динамическая оценка надежности систем пассивной безопасности AP1000 с использованием методологий FMEA и GO-FLOW. J. Nuclear Sci. Technol. 51, 526–542. DOI: 10.1080 / 00223131.2014.881727

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Jingjing, L., Tao, Z., Qijun, H., and Zejun, X. (2014). Исследование устойчивости естественного циркуляционного потока сверхкритической воды на основе факторного анализа. Nuclear Power Eng . 35, 66–69. DOI: 10.13832 / j.jnpe.2014.05.0066

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лю, X. (2015). Анализ строительства зарубежных моделей реакторов на суше и их вклад в развитие ядерно-энергетического оборудования для кораблей. Подбородок. Корабль Res. 10, 84–91. DOI: 10.3969 / j.issn.1673-3185.2015.03.014

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ма, Д., Чжоу, Т., Чен, Дж., Ци, С., Шахзад, М. А., и Сяо, З. (2017). Анализ прогноза коэффициента теплоотдачи сверхкритической воды на основе нейронной сети БП. Nuclear Eng. Des. 320, 400–408. DOI: 10.1016 / j.nucengdes.2017.06.013

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ма, В., Карбоджян, А., Сегал, Б.Р. (2007). Экспериментальное исследование естественной циркуляции и ее устойчивости в петле тяжелого жидкого металла. Nuclear Eng. Проект 237, 1838–1847 гг. DOI: 10.1016 / j.nucengdes.2007.02.023

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Тарантино, М., Грандис, С. Д., Бенамати, Г., и Ориоло, Ф. (2008). Естественная циркуляция в жидкометаллической одномерной петле. J. Nuclear Mater. 376, 409–414. DOI: 10.1016 / j.jnucmat.2008.02.080

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ван, Л., Chen, P., Zhou, Y., Li, W., Tang, C., Miao, Y., et al. (2018). Экспериментальное исследование конденсации пара с воздухом из вертикальных трубных пучков. Фронт. Energy Res. 6:32. DOI: 10.3389 / fenrg.2018.00032

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ватанабэ, О., Ояма, К., Эндо, Дж., Дода, Н., Оно, А., Камиде, Х. и др. (2015). Разработка методологии оценки системы отвода остаточного тепла естественной циркуляции в быстром реакторе с натриевым теплоносителем. Дж.Ядерная наука. Technol. 52, 1102–1121. DOI: 10.1080 / 00223131.2014.994049

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Qiu, Z., Lan, Z., Ma, Z., Qiu, S., Zan, Y, Xing, D., et al. (2016). Теоретическое исследование характеристик теплопередачи двухфазного потока жидкометаллического натрия при кипении. Nuclear Power Eng. 37, 124–127. DOI: 10.13832 / j.jnpe.2016.S2.0121

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ягов В.В., Зубов Н.О., Кабаньков О.Н., и Сукомель, Л.А. (2019). Экспериментальное и расчетное исследование теплогидравлических характеристик контура естественной циркуляции. Thermal Eng. 66, 477–490. DOI: 10.1134 / S004060151

03

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Повышение теплопередачи с использованием CO2 в контуре естественной циркуляции

Реферат

Контур естественной циркуляции (NCL) является высоконадежным и бесшумным устройством теплопередачи благодаря отсутствию движущихся компонентов.Рабочая жидкость, используемая в контуре естественной циркуляции, играет важную роль в улучшении теплопередачи контура. Это экспериментальное исследование исследует докритические и сверхкритические характеристики теплопередачи контура естественной циркуляции (NCL) с CO 2 в качестве рабочего тела. Рабочие давления и температуры изменяются таким образом, чтобы жидкость контура оставалась в заданном состоянии (переохлажденная жидкость, двухфазная, перегретый пар, сверхкритическое состояние). Вода и метанол используются в качестве внешних жидкостей в холодных и горячих теплообменниках для температур выше нуля и ниже нуля (в ° C) соответственно, в зависимости от рабочей температуры.Для циркуляционных жидкостей производительность CO 2 сравнивается с водой при положительных температурах и с рассолом при отрицательных температурах. Кроме того, также изучается влияние рабочего давления контура (35–90 бар) на производительность системы. Для температуры на входе горячего теплообменника (от 5 до 70 ° C) и температуры на входе холодного теплообменника (от -18 до 32 ° C) было отмечено, что максимальные скорости теплопередачи в случае докритического пара, подкритической жидкости, двухфазной и сверхкритические системы на основе CO 2 на 400%, 500%, 900% и 800% выше, чем системы на основе воды / рассола соответственно.

Тематические термины: Машиностроение, гидродинамика

Введение

Контуры теплопередачи (вторичные контуры) подразделяются на контур принудительной циркуляции (FCL) и контур естественной циркуляции (NCL). Контур принудительной циркуляции — это активная система, для которой требуется насос или компрессор для управления потоком жидкости, тогда как контур естественной циркуляции (NCL) представляет собой простую систему, в которой поток жидкости происходит из-за градиента плотности, вызванного наложенной разницей температур.

В NCL радиатор расположен выше, чем источник тепла. Это устанавливает градиент плотности в системе, из-за которого более легкая (более теплая) жидкость поднимается вверх, а более тяжелая (более холодная) жидкость движется вниз. Следовательно, тепловая энергия может передаваться от высокотемпературного источника к низкотемпературному приемнику без прямого контакта друг с другом, а также без использования какого-либо первичного двигателя.

NCL предпочтительнее контура с принудительной конвекцией, где безопасность является превыше всего.Он также обеспечивает бесшумную и необслуживаемую работу. NCL является многообещающим вариантом для многих инженерных приложений, таких как ядерные реакторы 1 , химическая экстракция 2 , 3 электронная система охлаждения 4 , солнечные нагреватели 5 10 , геотермальные приложения 11 , 12 , криогенные холодильные системы 13 , охлаждение лопаток турбины 14 , термосифонные ребойлеры 15 , 16 , а также охлаждение и кондиционирование воздуха 17 и др.По сравнению с системами с принудительной конвекцией скорость теплопередачи в системах с естественной конвекцией находится на более низком уровне, и ее улучшение является сложной задачей. Исследователи пытаются разными способами улучшить скорость теплопередачи, например, используя различные рабочие жидкости / наножидкости. Misale и др. . 18 и Наяк и др. . 19 экспериментально сообщил об увеличении скорости теплопередачи на 10–13% с наножидкостью (Al 2 O 3 + вода) по сравнению с NCL на водной основе.

Выбор рабочих жидкостей для NCL обычно осуществляется на основе некоторых благоприятных теплофизических свойств. Обычно используемые рабочие жидкости можно разделить на водные и неводные. Водные растворы обычно представляют собой продукты на основе соли или спирта. Они обладают одним или несколькими неблагоприятными эффектами, такими как коррозионная активность, токсичность, высокое значение pH и т. Д. Неводные растворы представляют собой коммерчески доступные химические вещества.

В последние годы CO 2 приобрел популярность в качестве петлевой жидкости в NCL благодаря своим превосходным теплофизическим свойствам и экологичности (отсутствие потенциала разрушения озонового слоя и незначительный потенциал глобального потепления) и использовался для различных приложений, таких как солнечное тепло. коллектор 20 , тепловой насос 21 , геотермальная система 22 и т. д.Пригодность CO 2 в качестве циркуляционной жидкости была изучена Kiran Kumar и др. . 23 для NCL, а также Ядав и др. . 24 для контура принудительной циркуляции.

Любые жидкости, работающие в области, близкой к критической, демонстрируют очень хорошие характеристики теплопередачи и потока жидкости благодаря своим благоприятным теплофизическим свойствам. Углекислый газ имеет преимущество низкой критической температуры (~ 31 ° C) и вполне разумного критического давления (73.7 бар).

Swapnalee и др. . 25 провели экспериментальные исследования по изучению статической нестабильности сверхкритических СО 2 и НКЛ на водной основе с нагревателем в качестве источника тепла. Kiran и др. . 26 провели эксперименты и изучили поведение теплопередачи NCL с использованием докритического CO 2 с ограниченным диапазоном температуры и давления.

Хотя экспериментальных исследований очень мало из-за риска, связанного с работой с CO 2 при высоком рабочем давлении, достаточно большое количество численных исследований поведения теплопередачи CO 2 на основе NCL доступно в открытая литература 27 29 .

Киран Кумар и др. . 27 выполнили численное исследование стационарного анализа однофазных прямоугольных NCL с параллельными потоками теплообменников типа «труба в трубе». Ядав и др. . 28 выполнен переходный анализ контура естественной циркуляции (NCL) на основе диоксида углерода с торцевыми теплообменниками. Басу и др. . 29 , направлена ​​на разработку теоретической модели для моделирования стационарных характеристик прямоугольного однофазного контура естественной циркуляции и исследования роли различных геометрических параметров в поведении системы.Ядав и др. . 30 провели трехмерное исследование CFD и заявили, что скорость теплопередачи на ~ 700% выше в случае докритической жидкости, а также сверхкритического CO 2 по сравнению с водой. Двумерный анализ при 90 бар для различных температур источника тепла показал нестабильность, связанную со сверхкритическим потоком 31 , 32 .

Обширные численные исследования 27 29 на CO 2 Доступны NCL на основе с различными конфигурациями.Однако в литературе сообщается об очень небольшом количестве экспериментальных исследований в связи с риском, связанным с обращением с CO 2 при более высоком рабочем давлении. Как и в большинстве инженерных исследований, имеющих практическое значение, экспериментальные исследования являются эталоном. Экспериментальные исследования NCL, использующих сверхкритический / докритический CO 2 с концевыми теплообменниками в широком диапазоне температур, охватывающем отрицательную температуру, ограничены. Чтобы заполнить эту критическую пустоту, это экспериментальное исследование представляет собой исследование поведения теплопередачи субкритических / сверхкритических НКЛ на основе CO 2 с торцевыми теплообменниками для широкого применения в диапазоне от минусовых (-18 ° C) до плюсовых (70 ° C) температуры.Исследование также включает явление теплопередачи в однофазном (жидкость и пар) и двухфазном CO 2 на основе NCL. Далее сравниваются скорости теплопередачи воды (для положительной температуры) и рассола (для отрицательной температуры) в NCL.

Детали эксперимента

Полное изображение испытательной установки представлено на рис. Испытательная установка состоит из резервуара CO 2 , теплообменников типа «труба в трубе» (горячего и холодного) с вертикальными трубами (стояка и сливного стакана).

Схема НКУ с торцевыми теплообменниками. (1) Цилиндр резервуара CO 2 , (2) Термостатическая ванна для HHX, (3) Термостатическая ванна для CHX (4) Система сбора данных, (5) Увеличенная часть внутренней конструкции термопары (гайка и наконечник).

Термопары Т-типа соответствующей длины подключаются для измерения температуры текучей среды контура (CO 2 / вода / солевой раствор) и внешней текучей среды (вода / метанол), которая течет внутри внутренней трубы и кольцевого пространства, соответственно, как показано на рис..

Фотографический вид действующего объекта представлен на рис. Контур естественной циркуляции 2 × 2 м изготовлен из нержавеющей стали (SS-316), имеет внешний диаметр 32 мм, внутренний диаметр 26 мм, толщину 3 мм и выдерживает давление до 250 бар. Для контроля теплопередачи от контура к окружающей среде весь контур изолирован асбестовым тросом и изоляционным материалом из вспененной ленты толщиной 3 мм каждый. Теплообменники длиной 1600 мм, наружным диаметром 51 мм и толщиной 3 мм.

Экспериментальная установка. (1) Термостатическая ванна — 1 (HHX), (2) DAQ, (3) Компьютер для чтения данных DAQ, (4) Термостатическая ванна -2 (CHX), (5) Манометр, (6) Ротаметр, (7) Датчик перепада давления, (8) предохранительный клапан, (9) баллон CO 2 , (10) вакуумный насос.

Две термостатические ванны (Thermo Scientific PC200) с мощностью нагрева / охлаждения 2 кВт подают внешнюю жидкость (воду / метанол) с фиксированной температурой в теплообменники. Массовый расход внешних жидкостей измеряется с помощью двух калиброванных ротаметров (диапазон 2–20 л / мин) с клапаном, подключенных отдельно к HHX и CHX.

Манометр Бурдона с диапазоном 0–150 бар подключается для измерения давления в линии контура в центре правой ноги. Шесть термопар Т-типа используются для контроля температуры CO 2 в различных местах вдоль контура, термопары напрямую связаны с жидкостью внутреннего контура CO 2 , как показано на рис. Увеличенной части гайки и наконечника. договоренность. Система сбора данных (DAQ, Keighley — модель 2700) используется для регистрации различных температур контура.Геометрические характеристики испытательного стенда указаны в таблице. Рабочие параметры и их рабочий диапазон представлены в таблице для всего эксперимента.

Таблица 1

Геометрические параметры экспериментальной установки.

Детали петли Размер (мм)
Наружный диаметр петлевой трубы (d) 32
Внутренний диаметр петлевой трубы 26
Толщина петля 3
Длина петли левой или правой ножки (L1) 1800
Длина изгиба петли (внешняя) 157
Длина изгиба петли петля (внутренняя)122.5
Расстояние от теплообменника до изгиба контура 100
Детали теплообменника
Внешний диаметр теплообменника (D) 51
Толщина внешней стенки теплообменника 4
Длина теплообменника (L2) 1600
Кольцевое расстояние (радиальное) 5,5

Таблица 2

Диапазон рабочих параметров, учитываемых при учиться.

Параметры Диапазон Диапазон погрешности (%)
Температура горячей воды на входе ( T H ) −10–70 ° C ± 0,05
Температура холодной воды на входе ( T C ) −18–32 ° C ± 0,05
Давление в системе 35–90 бар ± 2,5
Внешняя масса жидкости расход (м) 5 л / мин ± 5.0

Методология

Холодный и горячий теплообменники испытываются на герметичность при давлении до 10 бар, а контур — на герметичность при давлении 150 бар. Позже весь контур естественной циркуляции откачивается, и необходимое количество CO 2 загружается в контур из цилиндра CO 2 . Зарядка CO 2 прекращается, как только давление жидкости в контуре достигает необходимого рабочего состояния. Внешняя жидкость заставляется течь внутри кольцевой трубы обоих теплообменников с заданными массовым расходом и температурами.Когда внешняя жидкость начинает течь, температура контура начинает изменяться с небольшим изменением давления контура. Для поддержания заданного рабочего давления CO 2 перемещается в / из цилиндра, в котором поддерживается рабочее давление. Эта практика продолжается до тех пор, пока цикл не достигнет установившегося состояния. Считается, что контур достигает установившегося состояния, если переходные колебания всех температур и давлений составляют менее 0,5%.

При заданном рабочем давлении состояние CO 2 подтверждается мониторингом температуры во всех точках контура (однофазная, двухфазная или сверхкритическая фаза).Как только вся система достигает устойчивого состояния, результаты записываются. Чтобы сравнить результаты CO 2 в качестве жидкости контура, рассол используется в качестве жидкости контура для приложений с более низкими температурами, тогда как вода используется для приложений с температурой выше нуля. Метанол используется в качестве внешней жидкости для приложений с более низкими температурами (ниже 0 ° C) и вода в качестве внешней жидкости для приложений с более высокими температурами (выше 0 ° C).

Чтобы обеспечить условия турбулентного потока для внешней жидкости, массовый расход 0.083 кг / с (5 л / мин) поддерживается как в CHX, так и в HHX.

Скорость теплопередачи (Q) рассчитывается по формуле

Q = m × cp − HHX × ΔTHHX = m × cp − CHX × ΔTCHX

1

где m = массовый расход внешней жидкости в кг / с

c p HHX = удельная теплоемкость HHX в Дж / кг-K

c p CHX = удельная теплоемкость CHX в Дж / кг-K

ΔT HHX = разница температур HHX между входом и выходом

ΔT CHX = разница температур CHX между входом и выходом

Средняя температура рассчитывается по

, где T C = температура CHX на входе в ° C

T H = температура HHX на входе в ° C

Результаты и обсуждение

Это экспериментальное исследование охватывает широкий спектр приложений в диапазоне температур от -18 ° C до 70 ° C и рабочего давления от 35 бар до 90 бар.Скорость теплопередачи, перепад давления и распределение температуры однофазной (сверхкритической, жидкой и паровой) и двухфазной НКЛ на основе CO 2 по сравнению с контуром естественной циркуляции на основе воды / рассола при тех же рабочих температурах. Рабочее давление для воды и рассола в качестве жидкости контура поддерживается на уровне 1 атм, поскольку изменение теплофизических свойств воды с рабочим давлением незначительно (менее 1%), что, в свою очередь, не влияет существенно на скорость теплопередачи 33 .

Сверхкритический CO

2 как контурная жидкость

В CHX и HHX вода является внешней жидкостью. Для фиксированной температуры воды на входе (чуть выше критической температуры CO 2 ~ 31,2 ° C) температура на входе HHX изменяется от 40 ° C до 70 ° C с шагом 10 ° C. На рисунке показано изменение температуры во всем контуре при 90 бар. Изменение температуры также регистрируется для всех рабочих давлений, чтобы гарантировать, что жидкость контура находится в сверхкритическом состоянии по всему контуру.

Для сверхкритического CO 2 : ( a ) Температура в разных точках контура, ( b ) Изменение скорости теплопередачи для воды и CO 2 при разных давлениях, ( c ) Падение давления сравнение воды и CO 2 при разных давлениях, ( d ) Разница температур между левой и правой ветвями в зависимости от рабочего давления.

Влияние давления CO 2 на скорость теплопередачи и перепад давления изучается путем его изменения от 75 до 90 бар в сверхкритической зоне, как показано на рис.. Скорость теплопередачи сравнивается с широко используемой циркуляционной жидкостью, то есть с водой при атмосферном давлении (1 атм) при тех же температурах HHX и CHX. На рисунке показано влияние давления на разницу температур жидкости контура между центром левой ноги и центром правой ноги. Результаты ясно показывают, что по мере увеличения давления разница температур уменьшается, что происходит из-за увеличения удельной теплоемкости при более высоком давлении при конкретной средней рабочей температуре (T ср. = 46 ° C, T H = 60 ° C), как показано в таблице.При более высоких температурах уменьшение вязкости приводит к меньшему падению давления в контуре (рис.). Был проведен анализ неопределенности (ошибки) (показан после результатов и части обсуждения), и ошибки включены в расчет теплопередачи для всех случаев.

Таблица 3

Сравнение свойств сверхкритического CO 2 при разных давлениях с водой при атмосферном давлении для разных рабочих температур 33 .

Давление CO 2 (бар) Ср.Температура, T ср. (° C) Коэффициент плотности, ρ CO2 / ρ Вода Коэффициент удельной теплоемкости, C p_CO2 / C p_Water Коэффициент теплопроводности, k CO2 / k Вода Коэффициент вязкости, μ CO2 / μ Вода Отношение объемного коэффициента β CO2 / β Вода
75 41 0,23 .75 0,05 0,03 56,68
46 0,21 0,59 0,05 0,03 37,89
51 0,19 0,5057 0,05
80 41 0,27 1,05 0,06 0,03 83,50
46 0,24 0,72 0.05 0,04 48,29
51 0,22 0,58 0,05 0,04 33,70
90 41 0,44 2,89 0,057 0,0
46 0,33 1,27 0,07 0,04 91,65
51 0,28 0,83 0.06 0,04 51,69

Влияние рабочего давления на скорость теплопередачи при различных температурах на входе HHX (T H ) для фиксированного T C показано на рис. Скорость теплопередачи максимальна при рабочем давлении 90 бар. Средняя рабочая температура (~ температура жидкости контура) 41 ° C (полученная в данном случае) близка к псевдокритической точке (40,2 ° C) CO 2 при 90 бар, что приводит к максимальной скорости теплопередачи при этом давление из-за очень высокого коэффициента объемного расширения CO 2 по сравнению с водой (~ 240 раз).Эксперименты также проводятся для средних рабочих температур 46 ° C и 51 ° C.

В этом случае максимальная скорость теплопередачи NCL на основе CO 2 дает примерно в 8 раз (800%) больше, чем NCL на водной основе, как показано на рис. При более высокой температуре на входе HHX преобладает эффект плавучести, увеличивающий скорость теплопередачи.

Докритический пар CO

2 в качестве жидкости контура

С водой в качестве внешней жидкости как в CHX, так и в HHX, при фиксированной температуре на входе в CHX (= 32 ° C) температура на входе в HHX изменяется от 40 ° C до 70 ° C для значений с шагом 10 ° C.Данные собираются для различных рабочих давлений CO 2 (от 40 до 70 бар). На рисунке показано изменение температуры вдоль контура, влияние рабочего давления на скорость теплопередачи, перепад давления в / с рабочего давления и разность температур между левой и правой ветвями в / с рабочего давления для случая субкритического пара. На рисунке показано изменение температуры во всем контуре при 60 бар. Наблюдается, что с увеличением температуры горячей жидкости на входе скорость теплопередачи увеличивается из-за увеличения температурного градиента между CO 2 и водой в HHX.С увеличением давления в системе увеличивается и скорость теплопередачи. В этом случае максимальная скорость теплопередачи NCL на основе CO 2 дает примерно в 4 раза (400%) больше, чем NCL на водной основе (1 атм) для тех же рабочих температур, как показано на рис. Разница в падении давления оказывается незначительной для рабочего давления в диапазоне 40–70 бар, как показано на рис. 4, что происходит из-за постоянного отношения вязкости (показано в таблице). Результаты показывают уменьшение разницы температур между левой и правой ветвями по мере увеличения рабочего давления, как показано на рис..

Для субкритического CO 2 пар: ( a ) Температура в разных точках вдоль контура, ( b ) Изменение скорости теплопередачи для воды и CO 2 при разных давлениях, ( c ) Давление сравнение падения воды и CO 2 при разных давлениях, ( d ) Разница температур левой и правой ветвей относительно давления.

Таблица 4

Сравнение свойств субкритического пара CO 2 при разных давлениях с водой при атмосферном давлении для разных рабочих температур 33 .

0,057 0,05
Давление CO 2 (бар) Ср. Температура, T ср. (° C) Коэффициент плотности, ρ CO2 / ρ Вода Коэффициент удельной теплоемкости, C p_CO2 / C p_Water Коэффициент теплопроводности, k CO2 / k Вода Коэффициент вязкости, μ CO2 / μ Вода Отношение объемного коэффициента β CO2 / β Вода
40 41 0.08 0,30 0,03 0,03 16,11
46 0,08 0,29 0,03 0,03 13,83
51 0,07
12,08
50 41 0,11 0,35 0,04 0,03 20,56
46 0,11 0.33 0,04 0,03 17,17
51 0,11 0,32 0,04 0,03 14,67
60 41 0,13 0,057 0,057 41 0,13 0,057 0,057 27,92
46 0,14 0,40 0,04 0,03 22,27
51 0,14 0,37 0.04 0,03 18,39
70 41 0,20 0,59 0,05 0,03 42,45
46 0,18 0,503
0,05
51 0,17 0,45 0,04 0,03 24,09

Докритическая жидкость CO

2 в виде петлевой жидкости

Это экспериментальное исследование в основном сосредоточено на низких температурах (ниже 0 ° C ) таких приложений, как холодильники, солнечный водонагреватель для холодной погоды и т. д.В CHX и HHX в качестве внешней жидкости используется метанол, поскольку вода становится твердой при минусовой температуре. Температура на входе CHX поддерживается постоянной, а температура HHX варьируется. Чтобы сравнить скорость теплопередачи жидкого CO 2 на основе NCL, мы провели эксперименты с использованием солевого раствора (широко используемой жидкости для отрицательных температур) в качестве жидкости контура. На рисунке показано изменение температуры вдоль контура, скорость теплопередачи для различного рабочего давления, перепад давления в / с рабочего давления и разность температур между левой и правой ветвями в зависимости от рабочего давления для случая докритической жидкости.Чтобы обеспечить жидкую фазу (CO 2 ) по всему контуру, температуры в различных местах регистрируются, как показано на рис. Поскольку вязкость рассола выше, чем у воды, мы, безусловно, получим более низкую скорость теплопередачи с рассолом. Однако мы достигли максимальной скорости теплопередачи на 500% в этом случае жидкого CO 2 по сравнению с NCL на основе рассола, как показано на рис. Как объяснялось ранее, на рис. Показаны аналогичные тенденции падения давления и разницы температур для увеличения рабочего давления соответственно.Стол . показано сравнение свойств субкритического жидкого CO 2 при различных давлениях с рассолом при атмосферном давлении для различных рабочих температур, при этом не наблюдается большого изменения отношения вязкости CO 2 и рассола.

Для докритической жидкости CO 2 : ( a ) Температура в различных точках по контуру, ( b ) Изменение скорости теплопередачи для рассола и CO 2 при разных давлениях, ( c ) Давление Сравнение падения рассола и CO 2 при разных давлениях, ( d ) Разница температур левой и правой ветвей по отношению к давлению.

Таблица 5

Сравнение свойств докритической жидкости CO 2 при разных давлениях с рассолом при атмосферном давлении для разных рабочих температур 33 .

5757
Давление CO 2 (бар) Ср. Температура, T ср. (° C) Отношение плотностей, ρ CO2 / ρ рассол Отношение удельной теплоемкости, C p_CO2 / C p_ рассол Коэффициент теплопроводности, k CO2 / k рассол Коэффициент вязкости, μ CO2 / μ рассол Отношение объемного коэффициента β CO2 / β рассол
35 −16.5 0,89 0,64 0,25 0,004 16,19
−14,5 0,89 0,64 0,25 0,004 16,52
16,52
0,70 0,21 0,002 19,48
−9 0,86 0,66 0,23 0,003 17,34
−14 0.89 0,64 0,23 0,004 16,30
45 −2,5 0,84 0,69 0,21 0,003 18,86
18,86
0,20 0,002 21,27

Двухфазный CO

2 в качестве циркуляционной жидкости

В этом исследовании метанол используется в качестве внешней жидкости как в CHX, так и в HHX для достижения двухфазного состояния при более низких температурах (ниже -нулевая температура).Рабочие параметры, учитываемые при проведении экспериментов, представлены в таблице. Результаты получены для различных рабочих давлений CO 2 , то есть 50, 55, 60 и 65 бар. Как и в случае с жидкостью, мы провели эксперименты с использованием солевого раствора в качестве жидкости контура для сравнения скорости теплопередачи двухфазного НКЛ на основе CO 2 . На рисунке показано изменение температуры вдоль контура, скорость теплопередачи для различного рабочего давления, перепад давления в / с рабочего давления и разность температур между левым и правым коленами в / с рабочее давление для двухфазного CO 2 корпус (жидкость + Пар).В этом случае довольно сложно добиться двухфазности внутри контура, поддерживаемого при высоком давлении. С непрерывной записью температур в разных точках контура, мы достигли двухфазного CO 2 путем сравнения температуры насыщения при заданном давлении (показано на рис.).

Таблица 6

Рабочие параметры для двухфазного CO 2 .

Для двухфазный CO 2 состояние ( a ) Температура в разных точках вдоль контура, ( b ) Изменение скорости теплопередачи для рассола и CO 2 при разных давлениях, ( c ) Сравнение перепада давления рассола и CO 2 при разных давлениях, ( d ) Разница температур левой и правой ветвей по отношению к давлению.

По мере того, как контур перемещается в двухфазную область, возникает большой эффект плавучести, вызывающий увеличение массового расхода CO 2 , что, в свою очередь, увеличивает коэффициент теплопередачи. В этом случае максимальная скорость теплопередачи NCL на основе CO 2 дает в 9 раз (900%) больше, чем NCL на основе солевого раствора для тех же рабочих температур, как показано на рис. На рисунке показано изменение перепада давления при различных рабочих давлениях и температурах.Интересно увидеть влияние рабочего давления на температурный градиент в левой и правой ветвях, как показано на рис. При понижении давления скрытая теплота парообразования увеличивается, что приводит к уменьшению разницы температур.

Анализ ошибок

Скорость теплопередачи, массовый расход и температура являются различными рабочими параметрами для функциональной зависимости (удельная теплоемкость внешней жидкости считается постоянной), соотношение задается следующим образом:

Если M является определенный параметр измерения, его функциональная связь с независимыми переменными, представленная как M = f ( y 1 , y 2 , y 3 , y 4 , …… + y n ), то неопределенность в различных параметрах выражается как:

uR = ∂M∂y1u12 + ∂M∂y2u22 + ∂M∂y3u32 +… + ∂M∂ynu121 / 2

5

где u 1 , u 2 , u 3 , ………, u n — неопределенности независимых переменных.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Давление (бар) Температура насыщения (° C) Температура на входе CHX (° C) Температура на входе HHX (° C) Разница между температурой насыщения и температурой на входе HHX (° C)
55 18.42 −10 35 21
33 19
31 17
60 22,13 −3 43 21
19
39 17
65 25,6 0 47 21
45 19
43 17