Расчет теплоотдачи конвекцией с нагретой поверхности

Что такое теплопроводность

Данный термин означает способность различных материалов к обмену энергией, которая в этом случае представлена теплом. При этом передача энергии проходит от более нагретой части к холодной и происходит за счет:

1. Молекул.
2. Атомов.
3. Электронов и других частиц структуры металла.

Теплопроводность нержавеющей стали будет существенно отличаться от аналогичного показателя другого металла — например, коэффициент теплопроводности меди будет иным, нежели у стали.

Для обозначения этого показателя используется специальная величина, именуемая коэффициентом теплопроводности. Она характеризуется количеством теплоты, которое может пройти через материал за определенную единицу времени.

Показатели для стали

Теплопроводность может существенно отличаться в зависимости от химического состава металла. Коэффициент данной величины у стали и меди будет разным. Кроме этого, при повышении или уменьшении концентрации углерода изменяется и рассматриваемый показатель.

Существуют и другие особенности теплопроводности:

1. Для стали, которая не имеет примесей, значение составляет 70 Вт/(м* К).
2. У углеродистых и высоколегированных сталей проводимость намного ниже. За счет увеличения концентрации примесей она существенно снижается.
3. Само термическое воздействие также может оказывать воздействие на структуру металла. Как правило, после нагрева структура меняет значение проводимости, что связано с изменением кристаллической решетки.

Коэффициент теплопроводности алюминия значительно выше, что связано с более низкой плотностью этого материала. Теплопроводность латуни также отличается от соответствующего показателя стали.

База знаний по трехмерному проектированию в Pro/Engineer, Creo, Solidworks, электронике на STM32

Обучение САПР. Важные параметры некоторых материалов, используемые при тепловых расчетах

В этой таблице представлены такие важные параметры как Коэффициент теплопроводности λ
и
Удельная теплоемкость ср
, которые необходимы для проведения тепловых расчетов по статьям Creo 3. Расчет радиатора охлаждения с принудительной вентиляцией и Solidworks 2013. Тепловой расчет радиатора охлаждения с принудительной вентиляцией в Solidworks Simulation.

В следующей таблице представлены Коэффициенты конвекции h или α

(другое название
Коэффициенты конвективной теплоотдачи
и
Коэффициенты конвективной теплопередачи
), необходимые для оценочных расчетов

Источник

Влияние концентрации углерода

Концентрация углерода в стали влияет на величину теплопередачи:

1. Низкоуглеродистые стали имеют высокий показатель проводимости. Именно поэтому они используются при изготовлении труб, которые затем применяются при создании трубопровода системы отопления. Значение коэффициента варьирует в пределе от 54 до 47 Вт/(м* К).
2. Средним коэффициентом для распространенных углеродистых сталей является значение от 50 до 90 Вт/(м* К). Именно поэтому подобный материал используется при изготовлении деталей различных механизмов.
3. У металлов, которые не содержат различных примесей, коэффициент составляет 64 Вт/(м* К). Это значение несущественно изменяется при термическом воздействии.

Таким образом, рассматриваемый показатель у легированных сплавов может меняться в зависимости от температуры эксплуатации.

Как увеличить теплоотдачу?

Благодаря имеющемуся соотношению объема трубы к площади ее поверхности, достаточно часто возникает необходимость увеличить ее способность отдавать тепло. Это требуется для наиболее эффективного отопления помещений.

О том, как увеличить теплоотдачу трубы, известно уже давно, на практике применяли и применяют следующие способы.

Пример эффективного увеличения теплоотдачи – конвектор, применявшийся в системах отопления еще в советские времена. Он представлял собой согнутую трубу (U-образная форма) с наваренными перпендикулярно ей пластинами. Данный метод называется оребрение, он применяется и в современных отопительных устройствах.

Значение в быту и производстве

Почему важно учитывать коэффициент теплопроводности? Подобное значение указывается в различных таблицах для каждого металла и учитывается в нижеприведенных случаях:

1. При изготовлении различных теплообменников. Тепло является одним из важных носителей энергии. Его используют для обеспечения комфортных условий проживания в жилых и иных помещениях. При создании отопительных радиаторов и бойлеров важно обеспечить быструю и полную передачу тепла от теплоносителя к конечному потребителю.
2. При изготовлении отводящих элементов. Часто можно встретить ситуацию, когда нужно провести не подачу тепла, а отвод. Примером назовем случай отвода тепла от режущей кромки инструмента или зубьев шестерни. Для того чтобы металл не терял свои основные эксплуатационные качества, обеспечивается быстрый отвод тепловой энергии.
3. При создании изоляционных прослоек. В некоторых случаях материал не должен проводить передачу тепловой энергии. Для подобных условий эксплуатации выбирается металл, который обладает низким коэффициентом проводимости тепла.

Определяется рассматриваемый показатель при проведении испытаний в различных условиях. Как ранее было отмечено, коэффициент проводимости тепла может зависеть от температуры эксплуатации. Поэтому в таблицах указывается несколько его значений.

Утепление труб

Если в отапливаемых помещениях все делается для того, чтобы взять от трубы как можно больше тепла, то в магистральных линиях существует совершенно противоположная потребность — снизить теплоотдачу по максимуму.

Для этого применяется утепление труб.

Рынок материалов для этих целей достаточно обширен, поэтому проблем с выбором утеплителя не возникает никаких. Кроме наиболее дешевых стекловолоконных утеплителей, применяют базальтовую вату, пенополиуретан, пенополистирол.

Наиболее эффективно теплоотдача труб стальных может быть снижена в заводских условиях. Выпуск труб со слоем утеплителя и полиэтилена постоянно увеличивается, на сегодняшний день монтаж магистралей отопления из таких материалов является одним из лучших способов снижения теплопотерь.

Как видите, знание фактической теплоотдачи необходимо для решения многих технических проблем, связанных с сооружением систем горячего водоснабжения и отопления. Поэтому при проектировке данных систем обязательно выполняйте подобные расчеты, а еще лучше доверьте это специалисту.

Рассчитываем отдачу для 1 м. изделия

Посчитать теплоотдачу 1 м. трубы, выполненной из стали, просто. У нас есть формула, осталось подставить значения.

Q = 0,047*10*60 = 28 Вт.

• К = 0.047, коэффициент теплоотдачи;
• F = 10 м 2 , площадь трубы;
• dT = 60° С, температурный напор.

Об этом стоит помнить

Хотите сделать систему отопления грамотно? Не стоит подбирать трубы на глазок. Расчёты теплоотдачи помогут оптимизировать траты на строительство. При этом можно получить хорошую отопительную систему, которая прослужит долгие годы.

Источник

Сравнение показателей: анализ и таблица

Помимо материала, из которого изготовлен прибор, на коэффициент мощности влияет межосевое расстояние – высота между осями верхнего и нижнего выходов. Также существенное влияние на КПД оказывает величина теплопроводности.

Что представляет собой биметаллический радиатор

По сути, биметаллический обогреватель представляет собой смешанную конструкцию, воплотившую преимущества стальных и алюминиевых систем отопления. Устройство радиатора основывается на следующих элементах:

• Обогреватель состоит из двух корпусов – внутреннего стального и наружного алюминиевого;
• За счет внутренней оболочки из стали биметаллический корпус не боится агрессивной горячей воды, выдерживает высокое давление и обеспечивает высокую прочность соединения отдельных секций радиатора в одну батарею;
• Алюминиевый корпус лучше всего передает и рассеивает поток тепла в воздухе, не боится коррозии наружной поверхности.

В качестве подтверждения высокой теплоотдачи биметаллического корпуса можно использовать сравнительную таблицу. Среди ближайших конкурентов – радиаторов из чугуна ЧГ, стали ТС, алюминия АА и АЛ, биметаллический радиатор БМ обладает одним из наилучших показателей теплоотдачи, высоким рабочим давлением и коррозионной стойкостью.

В реальности дела обстоят еще хуже, большинство производителей указывает величину теплоотдачи в виде значения тепловой мощности в час для одной секции. То есть, на упаковке может быть указано, что теплоотдача биметаллической секции радиатора составляет 200 Вт.

Делается это вынужденно, данные приводят не к единице площади или перепаду температур в один градус, для того чтобы упростить восприятие покупателем конкретных технических характеристик теплоотдачи радиатора, одновременно сделав маленькую рекламу.

Теория, алгоритмы, литература.

Трубы, в системах теплоснабжения, могут выполнять две функции — транспортировать теплоноситель к месту его использования и служить сами отопительным прибором (регистром).

При реализации любой из вышеперечисленных функций необходимо производить количественную оценку эффективности её выполнения.

Основные показатели для систем транспорта тепловой энергии определены нормативными документами СО 153-34.20.523-2003 в 4 частях.

В любом случае возникает необходимость оперативного и точного расчёта:

• параметров теплообмена между трубой и окружающей её средой;
• затрат энергии на транспортирование теплоносителя (воды) через трубу.

Теплоотдача «голой» трубы

Параметры, знание которых позволяет рассчитывать тепловые процессы в системе «вода — труба — воздух», собраны и показаны в блоке исходных данных таблицы из предыдущей части статьи.

На рисунке ниже приведена эквивалентная схема теплоотдачи голой трубы.

При расчётах теплоотдачи трубы удобно использовать метод аналогии между теплотехникой и электротехникой, принимая:

• перепад температур dt=tвода—tвозд, как разность электрических потенциалов;
• тепловой поток q, как электрический ток;
• термическое сопротивление Rt, как электрическое сопротивление.

По аналогии с законом Ома получаем следующее уравнение:

q=dt/Rt=(tвода— tвозд)/(Rвн+Rтр+Rнар), Вт.

Термическое сопротивление между двумя средами – водой и воздухом – препятствует всем формам теплообмена между ними:

Каждая из перечисленных форм теплообмена имеет свою специфику и описывается соответствующими аналитическими выражениями.

1. Конвективный теплообмен между движущейся водой и твёрдой цилиндрической стенкой

Rвн=1/(αвн·Fвн) – термическое внутреннее сопротивление, °С/Вт, где:

• αвн – средний по длине трубы коэффициент теплоотдачи от движущейся воды внутренней поверхности трубы, Вт/(м²·°С);
• Fвн — площадь смачиваемой внутренней стенки трубы, м².

Расчет в Excel теплоотдачи трубы.

Для выполнения расчетов необходимо ввести в таблицу MS Excel исходные данные. Их – 13. Это — физические параметры теплоносителя (воды), температура окружающего воздуха, геометрические размеры трубы и слоя теплоизоляции, теплопроводность материалов и степень черноты наружных поверхностей трубы и изоляции.

В ячейках результатов автоматически выводится значение мощности тепловой отдачи трубы в Ваттах для четырёх вариантов, и температура остывания воды в градусах Цельсия за время движения по заданному участку трубопровода.

Все 22 пользовательские функции, задействованные в этой расчетной программе Excel, записаны каждая в своем Module в папке Modules. Доступ к папке — в Редакторе Visual Basic.