Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

2.2. Расчет характеристик бойлеров косвенного нагрева

Согласно данным представленным в [1] нормы расхода горячей воды на одного человека при температуре 65 °С составляют 110–130 литров в сутки (для домов, оборудованных ванной размером 1500–1700 мм, умывальникамии, душевыми).

Но это усредненные нормы потребления. В реальности, потребление горячей воды очень индивидуально и зависит не только от количества потребителей и точек разбора, но и от индивидуальных факторов, в том числе, ритма жизни конкретных людей. На рис. 15 представлен один из реальных графиков потребления горячей воды в индивидуальном доме, а на рис. 16 недельное потребление горячей воды в многоквартирном доме.

15.tif

Рис. 15. Один из реальных графиков потребления горячей воды в индивидуальном доме (квартире)

16.tif

Рис. 16. График варианта недельного потребления горячей воды в многоквартирном доме

Перечислим основные технические характеристики бойлеров косвенного нагрева:

– емкость бойлера;

– емкость теплообменника;

– максимальная мощность теплообменника;

– максимальное давление в теплообменнике;

– потери напора в теплообменнике;

– площадь теплообменника;

– максимальная производительность в проточном режиме, при перепаде температур 25 град.;

– диапазон регулирование температуры в бойлере;

– время нагрева воды в бойлере на разность температур 50 град.;

– максимальное давление воды ГВС;

– время остывания воды в БКН без ее потребления.

Объем (емкость) БКН. Следует различать реальную расчетную емкость БКН и декларированную в каталогах и рекламных материалах. В промышленных БКН, в большинстве случаев, указывается реальная емкость БКН. В бытовых есть понятие названной, округленной, заявленной емкости. Законодательством разных стран разрешено в бытовой технике указывать округленные значения технических характеристик, которые порой отличаются от реальных на 10–15 %. К сожалению, все производители округляют заявленные значения в большую сторону. Это надо учитывать при подборе и сравнении БКН разных производителей. Реальные объемные значения определяются либо точными расчетами, либо замерами. При расчетном методе надо из геометрических размеров емкости вычитать объем, занимаемый внутренним спиральным трубчатым теплообменником. Обычно, объем трубчатого теплообменника занимает около 5 % от общего внутреннего объема бака. Если учесть, что в бытовых БКН отличие габаритного объема от декларируемого отличаться на 10–15 %, то с учетом объема внутреннего теплообменника, это отличие может достигать 20 %.

Максимальная мощность теплообменника определяется при максимальном диапазоне перепада температур на входе в теплообменник (максимально допустимой температурой работы котла и минимальной температурой поступающей холодной воды). В большинстве случаев низкотемпературных отопительных приборов этот диапазон температур составляет 70 градусов. Зависит от материала теплообменника (змеевика) и площади теплообменника (диаметра, длина, толщина стенки).

toropov05.wmf (6)

где toropov06.wmf

полное термическое сопротивление теплопередачи через однослойную плоскую стенку;

F –

площадь поверхности теплообменника (змеевика);

toropov07.wmf toropov08.wmf

термические сопротивления теплоотдачи поверхностей стенки;

toropov09.wmf

термическое сопротивление стенки (толщина стенки трубы, деленная на теплопроводность материала трубы).

Для примера возьмем теплообменник из гофрированной нержавеющей стали толщиной 0,3 мм. Длина трубы 15 м, площадь теплообменника 0,065∙15 = 0,975 м2, перепад температур 70 °С. теплопроводность 30 Вт/(м∙°С), α1 относительно спокойная вода – стенка α1 = 500 Вт(м2∙К), α2 = 350 + 2100 корень квадратный из скорости при 1,5 м/с примерно равно 3000, тогда

toropov10.wmf

Q = 70∙0,975/0,0024 = 28473 Вт (28,47 кВт).

В реальности дело обстоит гораздо скромнее. Температура в бойлере, первоначально повышается достаточно быстро, при достижении комнатной температуры в бойлере, максимально возможная мощность падает в рассматриваемом случае до 22 кВт, при нагреве до 35 °С – до 16,2 кВт, а при нагреве до 50 °С – 10,1 кВт.

Следовательно, нагрев до максимальной температуры замедляется и достижение максимальной температуры не возможно.

Можно подсчитать, какой расход воды может обеспечивать бойлер косвенного нагрева с таким теплообменником перейдя в равновесное состояние.

Допустим надо узнать, какова производительность бойлера при нагреве на 25 °С, с температуры 15 до 40 °С. При этом мощность теплообменника с параметрами, указанными выше. Будет равна 10,16 кВт. Тогда 10160/(25∙1163) = 0,35 м3/ч или 5,8 л/мин (1163 – теплоемкость воды в Вт/(м3∙°С).

То есть равновесное состояние данного теплообменника при подаче теплоносителя от котла с температурой 75 °С, будет составлять 5,8 л горячей воды с температурой 40 °С, при температуре холодной воды на входе– 15 °С.

Максимальное давление в теплообменнике. Трубы змеевика теплообменника, как правило, могут выдержать значительное давление, поскольку они выполняются из стандартных газоводопроводных или нержавеющих гофрированных труб, но подключены они к трубопроводам отопительных котлов, в которых есть ограничения на величину рабочего давления, равную 3 бара. Это обусловлено тем, что индивидуальные системы отопления имеют замкнутую систему с расширительными баками, рабочий диапазон у которых до 3 бар.

Поскольку, БКН соединены с системой отопления, то и значение максимального рабочего давления в змеевидном теплообменнике БКН будет 3 бара.

Максимальное давление в контуре ГВС. БКН входит в систему подготовки горячей воды индивидуального дома. Все элементы контура ГВС бойлера должны быть рассчитаны на рабочее давление стандартных систем ГВС, определяемые СНиП и равные для рабочего давления 6 бар и испытательное давление 10 бар.

Диапазон регулирования воды в бойлере косвенного нагрева задается термостатом, который, в свою очередь, управляет трехходовым краном (клапаном) котла. В целях исключения ожогов, при установке в частных домах, рекомендуется устанавливать верхний порог температуры воды в бойлере не выше 65 °С, в дошкольных учреждениях, такой порог может быть установлен на уровне 35 °С. В режимах длительного отсутствия потребления и исключения замерзания, можно установить порог выключения в 10 градусов. а порог включения бойлера в 5 °С.

Потери напора в трубе БКН. Потери напора можно определить по формуле

toropov11.wmf (7)

Для нашего рассматриваемого случая

toropov12.wmf

где h –

потеря напора в метрах водного столба;

λ –

коэффициент гидравлического трения, находится дополнительными формулами о которых опишу ниже;

L –

длина трубопровода, м;

D –

внутренний диаметр трубы, м;

V –

скорость потока жидкости в трубопроводе змеевика, м/с;

g –

ускорение свободного падения, равен 9,81 м/с2.

Время остывания воды в БКН при отсутствии ее потребления определяется термоизоляцией корпуса и теплопередачей через места подсоединения трубопроводов. Толщина теплоизоляции в БКН не такая большая, как в тепловых аккумуляторах, обычно она составляет 30 мм для настенных бойлеров и 40–50 мм для напольных. Теплопотери БКН составляют около 100 Вт/ч. При полезной мощности 5–8 кВт остывание до комнатной температуры происходит за 2 суток.


Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074