Теплопроводность стали достаточно высока – это закон физики, и спорить с ним нельзя. Зато можно обратить это свойство металла на пользу. Именно такая теплоотдача позволяет использовать сталь в производстве различных приспособлений для обогрева помещений.
Зачем считать теплоотдачу
Расчет коэффициента теплопередачи для стальных труб и изделий из них поможет определить, сколько килокалорий или Джоулей от внутреннего теплоносителя они способны передать в атмосферу. При проектировании отопления после такого расчета легко вычислить требуемый диаметр стальной трубы. Если правильно все сделать, эффективность обогревателей будет максимальной.
Иногда точно такой же расчет теплоотдачи стальных труб нужен для обратного – подобрать изолирующий материал, который сможет препятствовать потерям. Все зависит от назначения и условий работы исследуемого трубопровода.
В упрощенном виде формула теплопроводности выглядит так:
Q = k · F · Δt
Для тех, кто подзабыл курс физики за 7-й класс, напомним значения этих символов:
- k – коэффициент теплопередачи стали трубы. Он зависит от особенностей материала, толщины стенки и завязан на величину теплового напора.
- F – площадь поверхности трубы. Если подведено сразу несколько ниток трубопровода, то учитывается суммарная площадь поверхностей.
- Δt – тепловой напор, учитывающий разницу температур атмосферы и теплоносителя.
Говоря проще, теплоотдача стальной трубы напрямую зависит от ее размеров и степени нагрева по сравнению с внешней средой. Чем выше эти показатели, тем больше тепловой энергии она передаст.
Тепловой напор тоже рассчитывается для каждого конкретного случая. Здесь нужно дополнительно учитывать усредненную температуру горячей воды на входе и выходе из отопительного прибора (коэффициент теплоотдачи воды отличается от того же показателя для стали). Для предварительных расчетов Δt согласно СНиП принимают равным 55° С.
Удобнее производить расчет для одного условного метра трубы выбранного диаметра. Тогда готовый результат можно просто умножить на общую длину отопительного оборудования. Для разных типоразмеров труб теплопередача определяется отдельно.
Коэффициенты
Таблица теплоотдачи стальных труб
| Тип соединения | Для труб с внутренним диаметром, мм | Δt, °С | |||
| 50 — 60 | 60 — 70 | 70 — 80 | 80 — 100 | ||
| В одну нитку | до 40 | 11,5 | 12 | 12,5 | 12,5 |
| 50-100 | 10 | 10,5 | 11 | 11,5 | |
| свыше 125 | 10 | 10,5 | 10,5 | 10,5 | |
| В несколько ниток | до 40 | 10 | 11 | 11,5 | 11,5 |
| свыше 50 | 8 | 9 | 9 | 9 | |
Приведенные цифры даны для труб с толщиной стенок от 3 мм и выше.
Полотенцесушитель в ванную из нержавейки, хоть и относится к рассмотренным гладким трубам, придется рассчитывать через другой коэффициент из-за разницы между черной и нержавеющей сталью. При тепловом напоре Δt = 70-80 °С для труб разного диаметра принимают такие значения:
| Ду, мм | 15 | 20 | 25 | 30 | 35 | 40 | 45 | 50 |
| k | 15 | 14,5 | 13,3 | 12 | 11 | 10 | 9 | 8 |
Следует учитывать, что сушка для полотенец в ванную, если это не старая часть отопительной системы, как правило, изготавливается из двух типоразмеров труб. Поэтому для змеевика и соединительных перемычек меньшего диаметра коэффициент k выбирается отдельно.
Какую систему вам бы ни пришлось обсчитывать, напольный водяной полотенцесушитель или регистры отопительного прибора, вам понадобится еще один коэффициент. Он позволит привести полученный результат в единицах Ккал/ч к привычному виду Вт/ч. Для этого Q умножают на 1,163.
СНиП 2.04.01-85 требует, чтобы стальной полотенцесушитель имел теплоотдачу не меньше 100 Вт на единицу площади помещения (1 м2) и минимум 40 Вт на 1 м3 ванной. Поэтому после перевода теплоотдачи в соответствующие единицы измерения, можно определить, для комнат каких размеров подходит выбранная конструкция сушки.
Способы увеличения теплоотдачи
Во всех отопительных и нагревательных системах нужно стремиться к тому, чтобы теплоотдача трубы была максимальной. Это будет означать, что энергию, затрачиваемую на нагрев носителя, мы используем наиболее эффективно. Для каждой конструкции, работающей в своих условиях, способ увеличить теплопередачу подбирается отдельно, с учетом всех нюансов. Но основой этих улучшений будут уже рассмотренные в теоретическом расчете исходные данные – площадь излучающей поверхности и разница температур.
Регистры
Самая простая конструкция радиаторов отопления – регистры. Это заваренные с торцов трубы среднего или большого диаметра, одиночные или соединенные в секции трубками-перемычками. Их можно увидеть в подъездах, на промышленных объектах или в частных домах с индивидуальным отоплением.
Чтобы повысить их тепловую мощность используют метод увеличения площади – наваривают тонкие металлические пластины. Это улучшает теплоотдачу батареи почти в полтора раза. Примерно такой же теплопередачей обладают компактные радиаторы – ближайшие родственницы чугунных батарей-гармошек. Хотя до панельных биметаллических приборов им, конечно, далеко.
Чтобы теплоотдача радиаторов отопления была максимальной, используют простой и незатратный метод конвекции. Этот способ заключается в правильном навешивании прибора. Его устанавливают как можно ближе к полу, где скапливается холодный воздух, но оставляют необходимые для циркуляции зазоры, в том числе и у самой стены.
При таком монтаже секции батареи соприкасаются со средой, имеющей минимально возможную в данных условиях температуру, то есть увеличивается тепловой напор. А нагретый регистрами воздух благодаря оставленным зазорам беспрепятственно поднимается вверх, и помещение протапливается быстрее.
Отличный метод – увеличить площадь передающей тепло поверхности. Делают это разными способами:
- Наращиванием общей длины нагревательных труб путем формирования из них U-образных регистров.
- Оребрением – строго говоря, этот способ увеличивает не конкретно теплопроводность стальной трубы, а всего радиатора, но мощность возрастает на 50%.
- Увеличением количества секций.
Лучшей теплоотдачей обладают поверхности черного цвета, но далеко не в каждый интерьер впишется такая мрачная батарея, отчего этот способ и не нашел применения. Регистры традиционно продолжают окрашивать в белый цвет.
Полотенцесушители
Полотенцесушитель для ванной сам является наглядным примером того, как можно улучшить теплоотдачу трубы. «Змеевик» прибора – не что иное, как искусственно увеличенная площадь теплового излучения. Поскольку раньше они были лишь частью общей ветки отопления, изменить диаметр стальной трубы не представлялось возможным. Поэтому площадь теплопередачи увеличивалась путем простого наращивания длины.
Кстати, как раз водяной полотенцесушитель из нержавеющей стали будет неплохо смотреться в черном цвете. Блестящие и хромированные изделия, хоть и выглядят красиво, препятствуют теплообмену между трубой и окружающей средой.
Для вертикально ориентированных систем, таких как радиаторы и полотенцесушители, имеет значение способ подключения входных и выходных труб. Теплоотдача одного прибора при разной установке может значительно измениться:
- 100% эффективности – диагональное подключение (вход горячей воды сверху, выход с обратной стороны внизу);
- 97% – одностороннее с верхним входом;
- 88% – нижнее двухстороннее подключение;
- 80% – диагональное обратное (с нижним входом);
- 78% – одностороннее с нижним входом и выходом отработанной воды.
Теплый пол
Не так давно теплый пол от полотенцесушителя или комнатного радиатора становился продолжением общей системы отопления в квартире, в разы увеличивая площадь обогревающей поверхности. Но вода в качестве теплоносителя именно в этой ситуации может создать немало проблем.
Как бы ни были надежны стальные трубы, они не вечны, а места соединений, особенно резьбовых, могут со временем дать течь. Только представьте, что это произошло внутри бетонной стяжки, которую так просто не снять. По этой причине теплый пол в водяном исполнении практически не применяется.
Если вы все-таки решили реализовать эту систему, вам придется подумать, как сделать ее максимально эффективной. Мощность теплого пола должна рассчитываться с предельной точностью. Но если цифры показывают, что теплопередача получается недостаточной, нужно в первую очередь озаботиться повышением эффективности стальных труб.
Поскольку эта конструкция контактирует не с воздухом в помещении, а нагревает материалы пола, сыграть можно только на увеличении протяженности труб. Поэтому их и укладывают компактной, но длинной «змейкой». Благодаря большой площади собственной поверхности она передает много тепла.
Нюанс: при плотной укладке нескольких погонных метров трубы теплоотдача теплого пола в целом возрастет, а каждого отдельного сегмента, не критично, но уменьшится.
Причина в том, что слишком близко расположенные трубы частично налаживают теплообмен друг с другом. Вокруг каждой создается нагретая зона, что приводит к некоторому снижению теплового напора.
Потери тепла
Не менее часто высокий коэффициент теплопроводности стальной трубы приходится рассматривать как негативный фактор. Когда тепло нужно с минимальными потерями доставить в конечную точку к потребителю, проводимость стали следует уменьшать. Такая необходимость возникает на магистральных трубопроводах и теплотрассах, проложенных на поверхности.
Для снижения теплопотерь трубы прячут в изолирующую оболочку из минеральной ваты или пенополистирола, используют фольгированную теплоизоляцию, экранирующую инфракрасный спектр излучения. Также можно взять стальные трубы, утепленные несколькими слоями вспененного полиэтилена еще на производстве.
Для определения эффективности применяемой изоляции делают стандартный расчет стальной трубы через коэффициент теплоотдачи. Но результат умножается на КПД изолирующего материала. Разница между двумя промежуточными итогами покажет, насколько эффективно сохраняется температура теплоносителя внутри трубы. Если цифра получается неудовлетворительной, толщину изолирующей скорлупы следует увеличить или подобрать материал с меньшей теплопроводностью.
В быту к теплопотерям и снижению эффективности стальных труб отопления приводит использование декоративных ширм или завешивание приборов, как в случае с полотенцесушителем. Нежелательна и установка такого оборудования в нишах стен. Сами трубы в этих потерях не виноваты, поскольку они исправно нагревают окружающий воздух и предметы, а вот на что тратится это тепло – вопрос уже к хозяевам.