Гидравлическое сопротивление водяного калорифера
Техническое руководство, формулы и практические примеры определения гидравлического сопротивления водяных калориферов для приточных систем вентиляции и отопления. Рассмотрены развернутый и упрощенный методы расчета потерь давления по теплоносителю, а также алгоритм подбора напорных характеристик по заводским таблицам. Приведены критические скорости движения потока для защиты от замерзания и завоздушивания контура, особенности работы на гликолевых антифризах и коэффициенты для экспресс-анализа.
Устройство и элементы гидравлического тракта калорифера
Гидравлический тракт промышленного водяного калорифера представляет собой интегрированную систему замкнутого типа, обеспечивающую организованное распределение и направленный проток теплоносителя. Геометрия и внутреннее устройство контура проектируются таким образом, чтобы сформировать оптимальные гидродинамические условия циркуляции рабочей среды и максимизировать коэффициент внутриканальной теплоотдачи при сохранении допустимого располагаемого напора насоса.
Конструктивная схема водяной системы воздухонагревателей спирально-накатного типа КСк, ТВВ, КФБ-А М по ТУ 4863-002-55613706-02 включает в себя следующие базовые элементы:
- 1. Присоединительные патрубки (штуцеры): Входной и выходной концевые отводы тракта под приварку либо с трубной цилиндрической резьбой. Предназначены для герметичного сопряжения теплообменного модуля с внешними трубопроводами гидравлической сети здания или технологической установки. Номинальный диаметр патрубков (Ду 25, 32, 40, 50, 65 мм) или штуцеров (1'', 11/4'', 11/2'', 2'', 21/2'') напрямую определяется общей производительностью аппарата и расчетным расходом прокачиваемого теплоносителя.
2. Трубные решетки (доски): Толстостенные стальные пластины с прецизионной координатной пробивкой отверстий. Служат несущим каркасом калорифера, в который неразрывно ввариваются торцы теплоотдающих трубок, гарантируя жесткую фиксацию пучка и полностью разграничивая водяной и воздушный контуры.
- 3. Распределительные коллекторы (камеры): Полые стальные элементы полуэллиптической формы, привариваемые к внешней стороне трубных решеток. Они выполняют функцию уравнительных буферных емкостей, стабилизирующих давление входящего из патрубка теплоносителя для его последующего равномерного перераспределения по нагревательным каналам.
- 4. Теплоотдающие элементы (трубный пучок): Основа гидравлической системы калорифера, состоящая из расположенных в шахматном порядке рядов стальных трубок с наружным поперечно-винтовым алюминиевым оребрением. Внутренний диаметр каналов в совокупности формирует рабочее живое сечение для прохода воды.
- 5. Разделительные перегородки (сегменты): Конструкционные вставки, ввариваемые в полость распределительных коллекторов. Они плотно локализуют отдельные группы трубок, трансформируя аппарат в многоходовую систему и обеспечивая последовательное возвратно-поступательное движение теплоносителя по циркуляционному контуру.
Структура гидравлических потерь давления
Суммарное гидравлическое сопротивление водяного калорифера формируется из линейных потерь на трение по длине теплоотдающих трубок и местных сопротивлений, обусловленных геометрической деформацией потока на отдельных участках контура.
- • Линейные потери (потери на трение по длине): обусловлены вязкостным трением слоев жидкости друг о друга и о внутренние стенки стальных теплоотдающих трубок пучка. Величина потерь определяется режимом течения, эквивалентной шероховатостью внутренней поверхности каналов, а также конструктивными размерами — длиной и внутренним диаметром трубок.
- • Местные гидравлические сопротивления: возникают в зонах резкого изменения проходного сечения или направления вектора скорости потока теплоносителя.
В конструкции калорифера данные потери локализованы в следующих узлах:
- - входной и выходной патрубки: эффекты резкого расширения потока при переходе из подводящего трубопровода в объем распределительного коллектора и конфузорного сужения при выводе рабочей среды в отводящую сеть;
- - вход в трубный пучок и выход из него: сужение потока при распределении жидкости из полости коллектора по отверстиям трубной решетки, а также последующее расширение при выходе из трубок в сборный коллектор;
- - поворотные камеры распределительных коллекторов: зоны, ограниченные разделительными перегородками. В этих областях поток совершает разворот на 180°, что сопровождается интенсивным вихреобразованием и градиентным перераспределением поля скоростей.
Влияние многоходовой схемы движения теплоносителя на потери давления
Секционирование полости распределительных камер с помощью внутренних перегородок искусственно преобразует одноходовой пучок в многоходовую систему. Для обеспечения компактности обвязки и корректной гидродинамики промышленного теплообменника биметаллические нагревательные элементы в пространстве располагают горизонтально, а внутренний контур аппарата проектируют таким образом, чтобы число ходов для прохода теплоносителя имело, как правило, четное значение.
Наибольшее распространение на практике получили четырех- и шестиходовые исполнения. Данное разделение осуществляется за счет прецизионной вварки разделительных сегментов в полости коллекторов, что задает жесткую траекторию движения среды. Каждая установленная вставка герметично разделяет общий массив трубок на изолированные рабочие группы с равным числом каналов, кратно сокращая площадь живого сечения одного хода по сравнению с полным сечением трубного пучка аппарата.
При четырехходовой компоновке теплоноситель через входной штуцер поступает в первую локализованную группу трубок, проходит по ней, а затем, встречая глухую перегородку в противоположном коллекторе, совершает последовательные развороты, проходя пучок четыре раза в противоположных направлениях. Шестиходовая компоновка делит контур на шесть изолированных камер, что обеспечивает еще более развитую траекторию движения жидкости, но пропорционально сокращает число одновременно работающих трубок в каждом ходе.
В результате такого уменьшения проходной площади одного хода фиксированный объем подаваемого теплоносителя вынужден двигаться через меньшее число каналов, что вызывает пропорциональный рост его локальной скорости. Это приводит к значительному увеличению гидравлических потерь: сопротивление трения по длине возрастает пропорционально квадрату скорости, а местные потери давления резко увеличиваются за счет принудительной смены направления движения жидкости на 180 градусов при переходе потока из одной камеры в другую.
Подобный гидродинамический компромисс ограничивает целесообразность бесконечного наращивания числа ходов аппарата. В то время как гидравлические потери в шестиходовом пучке значительно превышают аналогичные показатели четырехходовых моделей, прирост тепловой мощности и конечной температуры нагрева воздуха носит нелинейный характер и не демонстрирует эквивалентной эффективности. Наглядная взаимосвязь конструктивных параметров, расхода теплоносителя и потерь давления отражена в приведенной ниже сравнительной таблице модификаций.
Ниже представлены теплотехнические и гидродинамические характеристики калорифера КСк 4-11 с несущими трубками диаметром 16 мм при различных вариантах внутренней компоновки контура. Расчет выполнен для фиксированных граничных условий: объем приточного воздуха — 18 000 м³/ч при начальной температуре -25 °C; расход сетевой воды — 8.0 м³/ч с входящим параметром 95 °C.
| СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ПАРАМЕТРОВ МНОГОХОДОВЫХ МОДИФИКАЦИЙ КАЛОРИФЕРА КСК 4-11 | |||
|---|---|---|---|
| Эксплуатационные и теплотехнические показатели | 2-х ходовая модель | 4-х ходовая модель | 6-ти ходовая модель |
| Температура нагретого воздуха на выходе, °C | +25 | +28 | +30 |
| Скорость теплоносителя в трубках, м/с | 0.37 | 0.74 | 1.10 |
| Гидравлическое сопротивление контура, кПа | 2.1 | 17.8 | 61.3 |
| Температура обратного теплоносителя, °C | 55 | 53 | 52 |
| Коэффициент теплопередачи аппарата, Вт/(м²·°C) | 44.8 | 50.0 | 53.4 |
| Расчетная тепловая производительность, кВт | 364 | 387 | 400 |
Полученные данные наглядно подтверждают физику процесса: переход от 2-х ходовой схемы к 4-х ходовой обеспечивает прирост тепловой мощности на 6.3%. При этом гидравлические потери возрастают до 17.8 кПа, что остается в пределах допустимых эксплуатационных значений для стандартных циркуляционных систем. Однако дальнейший переход к 6-ходовой конфигурации вызывает лавинообразный рост сопротивления до 61.3 кПа, требующий избыточного напора сетевых насосов, в то время как интенсивность теплосъема практически затухает.
В случаях, когда располагаемый напор насосной группы не позволяет компенсировать высокое сопротивление многоходовых моделей серии КСк, применяются калориферы серии ТВВ. Использование в их конструкции стальных трубок диаметром 22 мм увеличивает живое сечение одного хода и снижает потери давления при сохранении активного турбулентного режима течения. Ниже представлены расчетные параметры для данного типа воздухонагревателей при аналогичных внешних условиях.
| СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ПАРАМЕТРОВ МНОГОХОДОВЫХ МОДИФИКАЦИЙ КАЛОРИФЕРА ТВВ 411 | |||
|---|---|---|---|
| Эксплуатационные и теплотехнические показатели | 2-х ходовая модель | 4-х ходовая модель | 6-ти ходовая модель |
| Температура нагретого воздуха на выходе, °C | +22 | +23 | +24 |
| Скорость теплоносителя в трубках, м/с | 0.23 | 0.45 | 0.68 |
| Гидравлическое сопротивление контура, кПа | 1.4 | 3.8 | 8.9 |
| Температура обратного теплоносителя, °C | 59 | 58 | 57 |
| Коэффициент теплопередачи аппарата, Вт/(м²·°C) | 54.0 | 56.6 | 58.2 |
| Расчетная тепловая производительность, кВт | 340 | 349 | 355 |
Масштабирование диаметра базовых трубок до 22 мм позволяет целенаправленно изменить гидродинамические характеристики пучка, где увеличение площади сечения каналов выступает эффективным способом оптимизации гидравлических потерь. Такие геометрические параметры контура позволяют успешно применять шестиходовую конфигурацию (скорость воды 0.68 м/с) при суммарном сопротивлении аппарата всего 8.9 кПа. Это почти в 7 раз ниже потерь шестиходовой модели КСк и в 2 раза меньше по сравнению с ее четырехходовой модификацией.
Например, при проектировании систем для северных районов со сверхнизкими температурами наружного притока высокая пропускная способность и сниженное гидравлическое сопротивление делают серию ТВВ технически обоснованным решением. Конструктивное исполнение трубного пучка этих калориферов обеспечивает значительный гидравлический резерв контура. Это позволяет гибко наращивать расход сетевой воды в периоды экстремальных нагрузок или при падении температурного графика источника теплоснабжения без риска перегрузки циркуляционных насосов.
Расчет гидравлического сопротивления калориферов
Расчет потерь давления в гидравлическом контуре воздухонагревателей выполняется тремя способами: аналитическим — по эмпирическому уравнению с учетом геометрии и ходовости конкретной модели; экспресс-методом — с применением индивидуального гидравлического коэффициента аппарата; и табличным — путем прямой интерполяции готовых паспортных данных в зависимости от фактической скорости теплоносителя.
Сравнительный гидравлический расчет калориферов
Исходные данные:
- • Фиксированный объемный расход воды (Gv): 3.0 м³/час;
- • Температурный график теплоносителя: 95/70 °С;
- • Средняя температура воды в аппарате: (95 + 70) / 2 = 82.5 °С;
- • Плотность воды (ρw) при температуре 82.5 °С: 970.23 кг/м³.
Перевод объемного расхода (м³/час) в массовый расход в секунду (кг/сек): G w = 3.0 м³/час х 970 кг/м³ = 2910 кг/час / 3600 = 0.808 кг/сек.
⚙️ Пример расчета 1.
Подсчитать и сравнить гидравлическое сопротивление водяных калориферов нескольких моделей в условиях равного объемного расхода теплоносителя через аппараты. Принимаем для расчета следующие воздухонагреватели: КСк 3-10 4-ходовой; КСк 3-10 6-ходовой; ТВВ 310 4-ходовой; ТВВ 310 6-ходовой; КФБ-7 А3 6-ходовой.
Действие 1. Находим скорость теплоносителя внутри трубок подобранных калориферов: W = G w / (p w • f w)
- W – скорость движения воды в трубках калорифера, м/с;
- G w – массовый расход теплоносителя, кг/сек;
- p w – плотность воды при ее средней температуре в воздухонагревателе, кг/м³;
- f w – площадь живого сечения одного хода выбранного калорифера для прохода воды, м².
- Калорифер КСк 3-10 (4 хода)W = 0.808 / (970 • 0.00116) = 0.808 / 1.125 = 0.72 м/с
- Калорифер КСк 3-10 (6 ходов)W = 0.808 / (970 • 0.00078) = 0.808 / 0.757 = 1.07 м/с
- Калорифер ТВВ 310 (4 хода)W = 0.808 / (970 • 0.00227) = 0.808 / 2.202 = 0.37 м/с
- Калорифер ТВВ 310 (6 ходов)W = 0.808 / (970 • 0.00151) = 0.808 / 1.465 = 0.55 м/с
- Калорифер КФБ-7 А3 М (6 ходов)W = 0.808 / (970 • 0.00222) = 0.808 / 2.153 = 0.38 м/с
- W – скорость движения воды в трубках калорифера, м/с;
- 0.808 – массовый расход теплоносителя, кг/сек;
- 970 – плотность воды при ее средней температуре 82.5°С, кг/м³;
- 0.00078...0.00227 – площади живого сечения одного хода соответствующих моделей, м².
Ниже представлена таблица с конструктивными характеристиками двух-, трех- и четырехрядных водяных воздухонагревателей производства ООО «Т.С.Т.» серий ТВВ-02-ХЛ3, КФБ-А М УХЛ3 и КСк-02-ХЛ3 по ТУ 4863-002-55613706-02. В каталоге сведены геометрические и технические данные, необходимые для поверочного расчета оборудования: площади живых сечений патрубков, коллекторов и ходов, внутренний диаметр и длина трубок пучка, а также полная емкость контура. Кликнув на наименование выбранного теплообменника в таблице, вы можете перейти к его подробным гидравлическим расчетам для различных температурных графиков.
Наименование водяного калорифера Площадь, м2 Внутренний диаметр трубок пучка, d, (м) Длина теплоотдающего элемента (в свету), м Число ходов, nx Емкость (объем), л сечения коллектора,
f колсечения патрубка,
f пживого сечения для прохода воды, f w ТВВ 306 0.00379 0.00101 0.00227 (0.00151) 0.019 0.530 4 (6) 8.7 ТВВ 307 0.00379 0.00101 0.00227 (0.00151) 0.019 0.655 4 (6) 9.9 ТВВ 308 0.00379 0.00101 0.00227 (0.00151) 0.019 0.780 4 (6) 11.0 ТВВ 309 0.00379 0.00101 0.00227 (0.00151) 0.019 0.905 4 (6) 12.1 ТВВ 310 0.00379 0.00101 0.00227 (0.00151) 0.019 1.155 4 (6) 14.4 ТВВ 311 0.00379 0.00363 0.00461 (0.00307) 0.019 1.655 4 (6) 38.3 ТВВ 312 0.00379 0.00363 0.00695 (0.00463) 0.019 1.655 4 (6) 57.7 ТВВ 406 0.00523 0.00101 0.00298 (0.00199) 0.019 0.530 4 (6) 11.7 ТВВ 407 0.00523 0.00101 0.00298 (0.00199) 0.019 0.655 4 (6) 13.2 ТВВ 408 0.00523 0.00101 0.00298 (0.00199) 0.019 0.780 4 (6) 14.7 ТВВ 409 0.00523 0.00101 0.00298 (0.00199) 0.019 0.905 4 (6) 16.2 ТВВ 410 0.00523 0.00101 0.00298 (0.00199) 0.019 1.155 4 (6) 19.1 ТВВ 411 0.00523 0.00363 0.00610 (0.00406) 0.019 1.655 4 (6) 51.1 ТВВ 412 0.00523 0.00363 0.00921 (0.00614) 0.019 1.655 4 (6) 77.2 Наименование водяного калорифера Площадь, м2 Внутренний диаметр трубок пучка, d, (м) Длина теплоотдающего элемента (в свету), м Число ходов, nx Емкость (объем), л сечения коллектора,
f колсечения патрубка,
f пживого сечения для прохода воды, f w КФБ-2 А3 М 0.00379 0.00101 0.00163 0.019 0.560 4 6.5 КФБ-3 А3 М 0.00379 0.00101 0.00206 0.019 0.560 4 8.3 КФБ-4 А3 М 0.00379 0.00101 0.00206 0.019 0.710 4 9.6 КФБ-5 А3 М 0.00379 0.00221 0.00180 0.019 0.710 6 12.3 КФБ-6 А3 М 0.00379 0.00221 0.00180 0.019 0.860 6 13.9 КФБ-7 А3 М 0.00379 0.00221 0.00222 0.019 0.860 6 17.1 КФБ-8 А3 М 0.00379 0.00221 0.00222 0.019 1.010 6 19.1 КФБ-9 А3 М 0.00379 0.00363 0.00250 0.019 1.010 6 21.7 КФБ-10 А3 М 0.00379 0.00363 0.00250 0.019 1.160 6 24.0 КФБ-11 А3 М 0.00379 0.00363 0.00293 0.019 1.160 6 27.9 КФБ-12 А3 М 0.00379 0.00363 0.00293 0.019 1.310 6 30.5 КФБ-13 А3 М 0.00379 0.00363 0.00336 0.019 1.310 6 34.8 КФБ-14 А3 М 0.00379 0.00363 0.00336 0.019 1.460 6 37.8 Наименование водяного калорифера Площадь, м2 Внутренний диаметр трубок пучка, d, (м) Длина теплоотдающего элемента (в свету), м Число ходов, nx Емкость (объем), л сечения коллектора,
f ксечения патрубка,
f пживого сечения для прохода воды, f w КФБ-2 А4 М 0.00523 0.00101 0.00213 0.019 0.560 4 8.6 КФБ-3 А4 М 0.00523 0.00101 0.00283 0.019 0.560 4 11.5 КФБ-4 А4 М 0.00523 0.00101 0.00283 0.019 0.710 4 13.2 КФБ-5 А4 М 0.00523 0.00221 0.00236 0.019 0.710 6 16.5 КФБ-6 А4 М 0.00523 0.00221 0.00236 0.019 0.860 6 18.6 КФБ-7 А4 М 0.00523 0.00221 0.00293 0.019 0.860 6 22.9 КФБ-8 А4 М 0.00523 0.00221 0.00293 0.019 1.010 6 25.5 КФБ-9 А4 М 0.00523 0.00363 0.00331 0.019 1.010 6 29.1 КФБ-10 А4 М 0.00523 0.00363 0.00331 0.019 1.160 6 32.0 КФБ-11 А4 М 0.00523 0.00363 0.00388 0.019 1.160 6 37.3 КФБ-12 А4 М 0.00523 0.00363 0.00388 0.019 1.310 6 40.8 КФБ-13 А4 М 0.00523 0.00363 0.00444 0.019 1.310 6 46.5 КФБ-14 А4 М 0.00523 0.00363 0.00444 0.019 1.460 6 50.5 Наименование водяного калорифера Площадь, м2 Внутренний диаметр трубок пучка, d, (м) Длина теплоотдающего элемента (в свету), м Число ходов, nx Емкость (объем), л сечения коллектора,
f ксечения патрубка,
f пживого сечения для прохода воды, f w КСк 2-1 0.00152 0.00101 0.00057 0.013 0.530 4 2.4 КСк 2-2 0.00152 0.00101 0.00057 0.013 0.655 4 2.7 КСк 2-3 0.00152 0.00101 0.00057 0.013 0.780 4 2.9 КСк 2-4 0.00152 0.00101 0.00057 0.013 0.905 4 3.2 КСк 2-5 0.00152 0.00101 0.00057 0.013 1.155 4 3.8 КСк 2-6 0.00152 0.00101 0.00076 0.013 0.530 4 3.2 КСк 2-7 0.00152 0.00101 0.00076 0.013 0.655 4 3.6 КСк 2-8 0.00152 0.00101 0.00076 0.013 0.780 4 3.9 КСк 2-9 0.00152 0.00101 0.00076 0.013 0.905 4 4.3 КСк 2-10 0.00152 0.00101 0.00076 0.013 1.155 4 5.1 КСк 2-11 0.00152 0.00221 0.00156 0.013 1.655 4 13.4 КСк 2-12 0.00152 0.00221 0.00235 0.013 1.655 4 20.3 Наименование водяного калорифера Площадь, м2 Внутренний диаметр трубок пучка, d, (м) Длина теплоотдающего элемента (в свету), м Число ходов, nx Емкость (объем), л сечения коллектора,
f ксечения патрубка,
f пживого сечения для прохода воды, f w КСк 3-1 0.00164 0.00101 0.00086 0.013 0.530 4 3.1 КСк 3-2 0.00164 0.00101 0.00086 0.013 0.655 4 3.5 КСк 3-3 0.00164 0.00101 0.00086 0.013 0.780 4 4.0 КСк 3-4 0.00164 0.00101 0.00086 0.013 0.905 4 4.4 КСк 3-5 0.00164 0.00101 0.00086 0.013 1.155 4 5.3 КСк 3-6 0.00164 0.00101 0.00116 (0.00078) 0.013 0.530 4 (6) 4.4 КСк 3-7 0.00164 0.00101 0.00116 (0.00078) 0.013 0.655 4 (6) 4.7 КСк 3-8 0.00164 0.00101 0.00116 (0.00078) 0.013 0.780 4 (6) 5.3 КСк 3-9 0.00164 0.00101 0.00116 (0.00078) 0.013 0.905 4 (6) 5.9 КСк 3-10 0.00164 0.00101 0.00116 (0.00078) 0.013 1.155 4 (6) 7.1 КСк 3-11 0.00164 0.00221 0.00236 0.013 1.655 4 19.0 КСк 3-12 0.00164 0.00221 0.00355 0.013 1.655 4 28.6 Наименование водяного калорифера Площадь, м2 Внутренний диаметр трубок пучка, d, (м) Длина теплоотдающего элемента (в свету), м Число ходов, nx Емкость (объем), л сечения коллектора,
f ксечения патрубка,
f пживого сечения для прохода воды, f w КСк 4-1 0.00224 0.00101 0.00113 0.013 0.530 4 4.2 КСк 4-2 0.00224 0.00101 0.00113 0.013 0.655 4 4.7 КСк 4-3 0.00224 0.00101 0.00113 0.013 0.780 4 5.3 КСк 4-4 0.00224 0.00101 0.00113 0.013 0.905 4 5.8 КСк 4-5 0.00224 0.00101 0.00113 0.013 1.155 4 7.0 КСк 4-6 0.00224 0.00101 0.00153 (0.00102) 0.013 0.530 4 (6) 5.6 КСк 4-7 0.00224 0.00101 0.00153 (0.00102) 0.013 0.655 4 (6) 6.3 КСк 4-8 0.00224 0.00101 0.00153 (0.00102) 0.013 0.780 4 (6) 7.1 КСк 4-9 0.00224 0.00101 0.00153 (0.00102) 0.013 0.905 4 (6) 7.9 КСк 4-10 0.00224 0.00101 0.00153 (0.00102) 0.013 1.155 4 (6) 9.4 КСк 4-11 0.00224 0.00221 0.00312 0.013 1.655 4 25.3 КСк 4-12 0.00224 0.00221 0.00471 0.013 1.655 4 38.2 Действие 2. Рассчитываем гидравлическое сопротивление у подобранных калориферов.
Для детального аналитического расчета полных гидравлических потерь давления в водяном калорифере используется классическая эмпирическая формула, которая работает по принципу умножения динамического напора потока на сумму безразмерных коэффициентов местных и линейных сопротивлений всех узлов аппарата:ΔPw = (ρ w • (w2 / 2)) • [2.7 • (f w / f п)2 + 6.7 • (nx - 1) • (f w / f кол)2 + 0.0121 • (nx • L / d1.266) + 0.6 • nx + 3.9]
1. Базовые динамические параметры:
- ΔPw – суммарное гидравлическое сопротивление калорифера, Па;
- ρ w – плотность теплоносителя, кг/м³ (принимается по справочным таблицам в зависимости от средней температуры жидкости в аппарате);
- w – линейная скорость движения теплоносителя внутри теплоотдающих трубок, м/с.
2. Составляющие местных и линейных сопротивлений:
- 2.7 • (f w / f п)2 – потери давления на входе и выходе из аппарата (узлы «патрубок — коллектор»);
- 6.7 • (nx - 1) • (f w / f кол)2 – суммарные потери давления во внутренних поворотных камерах коллектора при переходах между ходами;
- 0.0121 • (nx • L / d1.266) – чистые линейные потери на вязкостное трение жидкости по всей рабочей длине трубок пучка;
- 0.6 • nx + 3.9 – интегрированный коэффициент, учитывающий вихреобразование на трубных решетках при входе/выходе потока из каналов на каждом ходе.
3. Геометрические и конструктивные переменные:
- f w – площадь живого сечения одного хода для прохода воды, м²;
- f п – площадь поперечного сечения присоединительного патрубка, м²;
- f кол – площадь поперечного сечения распределительного коллектора, м²;
- d – внутренний диаметр теплонесущих трубок пучка, м;
- L – длина теплонесущей трубки в свету (между трубными решетками), м;
- nx – общее число ходов калорифера по теплоносителю.
- Калорифер КСк 3-10 (4 хода)ΔPw = (970.23 • (0.722 / 2)) • [2.7 • (0.00116 / 0.00101)2+ 6.7 • 3 • (0.00116 / 0.00164)2 + 0.0121 • (4 • 1.155 / 0.0131.266) + 2.4 + 3.9] = 251.484 • [3.562 + 10.056 + 13.651 + 6.3] = 251.484 • 33.569 = 8442.06 Па = 8.44 кПа
- Калорифер КСк 3-10 (6 ходов)ΔPw = (970.23 • (1.072 / 2)) • [2.7 • (0.00078 / 0.00101)2+ 6.7 • 5 • (0.00078 / 0.00164)2 + 0.0121 • (6 • 1.155 / 0.0131.266) + 3.6 + 3.9] = 555.408 • [1.610 + 7.578 + 20.477 + 7.5] = 555.408 • 37.165 = 20641.74 Па = 20.64 кПа
- Калорифер ТВВ 310 (4 хода)ΔPw = (970.23 • (0.372 / 2)) • [2.7 • (0.00227 / 0.00101)2+ 6.7 • 3 • (0.00227 / 0.00379)2 + 0.0121 • (4 • 1.155 / 0.0191.266) + 2.4 + 3.9] = 66.412 • [13.639 + 7.211 + 8.444 + 6.3] = 66.412 • 35.594 = 2363.87 Па = 2.36 кПа
- Калорифер ТВВ 310 (6 ходов)ΔPw = (970.23 • (0.552 / 2)) • [2.7 • (0.00151 / 0.00101)2+ 6.7 • 5 • (0.00151 / 0.00379)2 + 0.0121 • (6 • 1.155 / 0.0191.266) + 3.6 + 3.9] = 146.747 • [6.035 + 5.318 + 12.665 + 7.5] = 146.747 • 31.518 = 4625.17 Па = 4.63 кПа
- Калорифер КФБ-7 А3 М (6 ходов)ΔPw = (970.23 • (0.382 / 2)) • [2.7 • (0.00222 / 0.00221)2+ 6.7 • 5 • (0.00222 / 0.00379)2 + 0.0121 • (6 • 0.860 / 0.0191.266) + 3.6 + 3.9] = 70.051 • [2.724 + 11.494 + 9.430 + 7.5] = 70.051 • 31.148 = 2181.95 Па = 2.18 кПа
Модель калорифера и
схема контураПлощадь живого сечения
для прохода воды, м²Длина трубок
в свету, мЧисло ходов Гидравлическое
сопротивление, кПаКСК 3-10 (4-ходовой) 0.00116 1.155 4 8.44 КСК 3-10 (6-ходовой) 0.00078 1.155 6 20.64 ТВВ 310 (4-ходовой) 0.00227 1.155 4 2.36 ТВВ 310 (6-ходовой) 0.00151 1.155 6 4.63 КФБ-7 АЗ (6-ходовой) 0.00222 0.860 6 2.18
Инженерное заключение по гидрорежиму калориферов
Сравнительный гидродинамический анализ калориферов при фиксированном объемном расходе воды выявил выраженную степенную зависимость суммарного гидравлического сопротивления от конструктивных особенностей проточной части аппаратов:
- 1. Критическое влияние диаметра трубок. Калориферы серий КФБ-7 А3 М и ТВВ 310 (внутренний диаметр трубок 19 мм) при равном расходе обеспечивают стабильный, умеренно турбулентный режим течения со скоростями 0.37–0.55 м/с. Это полностью укладывается в рекомендуемый эксплуатационный оптимум и гарантирует минимальные потери давления в пределах 2.18–4.63 кПа.
- 2. Высокое гидравлическое сопротивление серии КСк. Калориферы серии КСк 3-10 выполнены на базе трубок меньшего внутреннего диаметра 13 мм. В условиях обеспечения заданного объема воды поток резко ускоряется до 0.72 м/с (для 4-ходового) и до граничных 1.07 м/с (для 6-ходового). Из-за квадратичной зависимости сопротивления от скорости потери давления в КСк 3-10 (6 ходов) возрастают до 20.64 кПа, что почти в 10 раз превышает показатели КФБ-7 А3 М.
- 3. Преимущество развитой геометрии узлов КФБ-7 А3 М. Калорифер демонстрирует наименьшее гидравлическое сопротивление среди всех рассматриваемых моделей, что достигается за счет сбалансированной конструкции его входных узлов. В данном аппарате применен входной патрубок, площадь которого практически совпадает с живым сечением одного хода. В результате теплоноситель заходит в каналы плавно и без возникновения локальных завихрений, тогда как в моделях КСк и ТВВ поток на входе сужается из-за меньшего сечения штуцера. Кроме того, оптимальная длина теплоотдающих трубок КФБ-7 А3 М обеспечивает низкие потери давления на линейное трение жидкости по сравнению с другими взятыми для расчета воздухонагревателями.
Рекомендации для проектирования:
- • При расходах теплоносителя около 3.0 м³/ч и выше использование калориферов серии КСк 3-10 существенно увеличивает энергозатраты на насосную группу и повышает риск эрозионного износа каналов. Несмотря на то, что высокая скорость движения воды в трубках интенсифицирует теплопередачу и повышает общую тепловую мощность аппарата, сопутствующий многократный рост гидравлического сопротивления делает такое решение экономически неэффективным.
- • В качестве базового выбора для систем с повышенным расходом теплоносителя целесообразно рассматривать модели КФБ-7 А3 М (6 ходов) и ТВВ 310 (4 хода). Обладая развитым живым сечением, эти воздухонагреватели обеспечивают минимальные потери давления при сохранении стабильного турбулентного режима течения жидкости, необходимого для эффективного теплообмена.
Упрощенный расчет гидравлического сопротивления калорифера
Для оперативного определения потерь давления в производственных и проектных условиях применяется экспресс-метод, базирующийся на следующей формуле:ΔPw (кПа) = C • W2
Постоянные геометрические параметры проточной части аппарата (номинальные диаметры патрубков, конфигурация ходов, число разворотов потока в коллекторах и длина трубного пучка) стационарны для каждого типоразмера. Эти конструктивные константы интегрированы заводом-изготовителем в единую величину — гидравлический коэффициент сопротивления калорифера (C). Так как потери напора возрастают пропорционально квадрату скорости движения жидкости, итоговое сопротивление контура (в кПа) определяется как произведение паспортного коэффициента модели на квадрат фактической линейной скорости теплоносителя в трубках.
⚙️ Пример расчета 2.
Подсчитать гидравлическое сопротивление водяного калорифера с помощью упрощенного метода.
Исходные данные:
- • Модель прибора: калорифер ТВВ 412 (6-ходовой);
- • Заданная скорость теплоносителя в трубках (W): 0.550 м/сек;
- • Паспортный гидравлический коэффициент для ТВВ 412: C = 29.62 (согласно техническим условиям завода-изготовителя для четырехрядных моделей).
ΔPw = 29.62 • 0.552 = 29.62 • 0.3025 = 8.960 кПа
- • 29.62 — гидравлический коэффициент калорифера ТВВ 412;
- • 0.55 — линейная скорость теплоносителя в трубках, м/с;
- • 8.96 — результат подсчета потерь давления в кПа.
Таблица гидравлического сопротивления калориферов ТВВ
| Модель калорифера | Коэффициент | ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ КАЛОРИФЕРОВ ТВВ, КПА | ||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Скорость движения теплоносителя по трубкам, м/сек | ||||||||||||||||
| 0.1 | 0.15 | 0.2 | 0.25 | 0.3 | 0.35 | 0.4 | 0.5 | 0.6 | 0.7 | 0.8 | 0.9 | 1.0 | 1.1 | 1.2 | ||
| ТВВ 306 | 11.71 | 0.118 | 0.262 | 0.467 | 0.732 | 1.055 | 1.430 | 1.870 | 2.927 | 4.207 | 5.734 | 7.496 | 9.475 | 11.707 | 14.151 | 16.853 |
| ТВВ 307 | 12.27 | 0.124 | 0.275 | 0.490 | 0.767 | 1.105 | 1.498 | 1.959 | 3.067 | 4.408 | 6.008 | 7.855 | 9.929 | 12.268 | 14.829 | 17.660 |
| ТВВ 308 | 12.84 | 0.129 | 0.287 | 0.513 | 0.802 | 1.157 | 1.568 | 2.050 | 3.210 | 4.613 | 6.287 | 8.220 | 10.390 | 12.838 | 15.518 | 18.481 |
| ТВВ 309 | 13.41 | 0.135 | 0.300 | 0.535 | 0.838 | 1.208 | 1.637 | 2.141 | 3.352 | 4.818 | 6.567 | 8.586 | 10.852 | 13.409 | 16.208 | 19.302 |
| ТВВ 310 | 14.54 | 0.146 | 0.325 | 0.580 | 0.909 | 1.310 | 1.775 | 2.322 | 3.635 | 5.224 | 7.120 | 9.310 | 11.767 | 14.539 | 17.574 | 20.930 |
| ТВВ 311 | 20.49 | 0.205 | 0.459 | 0.821 | 1.278 | 1.848 | 2.508 | 3.277 | 5.123 | 7.367 | 10.032 | 13.108 | 16.595 | 20.492 | 24.800 | 29.467 |
| ТВВ 312 | 32.36 | 0.323 | 0.730 | 1.302 | 2.025 | 2.922 | 3.966 | 5.188 | 8.101 | 11.660 | 15.865 | 20.717 | 26.255 | 32.358 | 39.198 | 46.639 |
| ТВВ 406 | 13.63 | 0.135 | 0.307 | 0.544 | 0.853 | 1.226 | 1.674 | 2.183 | 3.413 | 4.905 | 6.682 | 8.731 | 11.037 | 13.633 | 16.502 | 19.622 |
| ТВВ 407 | 14.20 | 0.141 | 0.319 | 0.566 | 0.889 | 1.278 | 1.744 | 2.274 | 3.556 | 5.111 | 6.961 | 9.096 | 11.499 | 14.203 | 17.192 | 20.443 |
| ТВВ 408 | 14.76 | 0.146 | 0.332 | 0.589 | 0.924 | 1.328 | 1.813 | 2.364 | 3.696 | 5.312 | 7.235 | 9.455 | 11.952 | 14.763 | 17.870 | 21.249 |
| ТВВ 409 | 15.33 | 0.152 | 0.345 | 0.612 | 0.960 | 1.379 | 1.883 | 2.455 | 3.839 | 5.517 | 7.515 | 9.820 | 12.414 | 15.333 | 18.561 | 22.069 |
| ТВВ 410 | 16.47 | 0.163 | 0.370 | 0.657 | 1.031 | 1.482 | 2.023 | 2.638 | 4.124 | 5.928 | 8.074 | 10.551 | 13.337 | 16.474 | 19.941 | 23.710 |
| ТВВ 411 | 19.20 | 0.191 | 0.430 | 0.771 | 1.198 | 1.729 | 2.357 | 3.070 | 4.809 | 6.916 | 9.406 | 12.278 | 15.562 | 19.201 | 23.223 | 27.666 |
| ТВВ 412 | 29.62 | 0.297 | 0.664 | 1.179 | 1.845 | 2.665 | 3.629 | 4.729 | 7.413 | 10.669 | 14.505 | 18.968 | 23.984 | 29.620 | 35.852 | 42.637 |
Таблица гидравлического сопротивления калориферов КФБ А3 М
| Модель калорифера | Коэффициент | ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ КАЛОРИФЕРОВ КФБ А3 М, КПА | ||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Скорость движения теплоносителя по трубкам, м/сек | ||||||||||||||||
| 0.1 | 0.15 | 0.2 | 0.25 | 0.3 | 0.35 | 0.4 | 0.5 | 0.6 | 0.7 | 0.8 | 0.9 | 1.0 | 1.1 | 1.2 | ||
| КФБ-2 А3 | 10.97 | 0.110 | 0.246 | 0.440 | 0.685 | 0.985 | 1.345 | 1.753 | 2.742 | 3.950 | 5.379 | 7.028 | 8.880 | 10.967 | 13.274 | 15.801 |
| КФБ-3 А3 | 11.47 | 0.114 | 0.257 | 0.458 | 0.715 | 1.030 | 1.402 | 1.831 | 2.872 | 4.133 | 5.623 | 7.342 | 9.290 | 11.466 | 13.872 | 16.506 |
| КФБ-4 А3 | 12.15 | 0.121 | 0.273 | 0.485 | 0.758 | 1.091 | 1.485 | 1.940 | 3.042 | 4.378 | 5.957 | 7.777 | 9.840 | 12.146 | 14.694 | 17.485 |
| КФБ-5 А3 | 11.24 | 0.112 | 0.252 | 0.449 | 0.701 | 1.010 | 1.374 | 1.802 | 2.813 | 4.049 | 5.509 | 7.194 | 9.102 | 11.235 | 13.593 | 16.196 |
| КФБ-6 А3 | 11.92 | 0.119 | 0.268 | 0.476 | 0.743 | 1.071 | 1.457 | 1.911 | 2.984 | 4.294 | 5.842 | 7.629 | 9.653 | 11.915 | 14.415 | 17.176 |
| КФБ-7 А3 | 13.54 | 0.136 | 0.304 | 0.539 | 0.846 | 1.216 | 1.659 | 2.164 | 3.384 | 4.875 | 6.638 | 8.656 | 10.960 | 13.535 | 16.382 | 19.500 |
| КФБ-8 А3 | 14.22 | 0.143 | 0.319 | 0.566 | 0.888 | 1.277 | 1.743 | 2.273 | 3.554 | 5.120 | 6.971 | 9.091 | 11.511 | 14.215 | 17.205 | 20.479 |
| КФБ-9 А3 | 15.08 | 0.151 | 0.342 | 0.605 | 0.943 | 1.355 | 1.849 | 2.419 | 3.771 | 5.432 | 7.394 | 9.648 | 12.231 | 15.084 | 18.255 | 21.729 |
| КФБ-10 А3 | 15.76 | 0.158 | 0.357 | 0.632 | 0.985 | 1.416 | 1.932 | 2.528 | 3.941 | 5.677 | 7.727 | 10.082 | 12.782 | 15.763 | 19.078 | 22.709 |
| КФБ-11 А3 | 17.55 | 0.176 | 0.394 | 0.704 | 1.102 | 1.577 | 2.151 | 2.807 | 4.388 | 6.321 | 8.603 | 11.227 | 14.231 | 17.552 | 21.263 | 25.284 |
| КФБ-12 А3 | 18.25 | 0.183 | 0.412 | 0.733 | 1.141 | 1.643 | 2.231 | 2.916 | 4.561 | 6.573 | 8.938 | 11.665 | 14.772 | 18.246 | 22.086 | 26.245 |
| КФБ-13 А3 | 20.08 | 0.202 | 0.451 | 0.806 | 1.255 | 1.802 | 2.462 | 3.209 | 5.019 | 7.233 | 9.849 | 12.837 | 16.256 | 20.077 | 24.302 | 28.930 |
| КФБ-14 А3 | 20.75 | 0.208 | 0.466 | 0.833 | 1.297 | 1.862 | 2.544 | 3.316 | 5.187 | 7.474 | 10.178 | 13.265 | 16.798 | 20.747 | 25.113 | 29.896 |
Таблица гидравлического сопротивления калориферов КФБ А4 М
| Модель калорифера | Коэффициент | ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ КАЛОРИФЕРОВ КФБ А4 М, КПА | ||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Скорость движения теплоносителя по трубкам, м/сек | ||||||||||||||||
| 0.1 | 0.15 | 0.2 | 0.25 | 0.3 | 0.35 | 0.4 | 0.5 | 0.6 | 0.7 | 0.8 | 0.9 | 1.0 | 1.1 | 1.2 | ||
| КФБ-2 А4 | 14.52 | 0.146 | 0.325 | 0.578 | 0.907 | 1.306 | 1.782 | 2.319 | 3.629 | 5.222 | 7.104 | 9.275 | 11.766 | 14.518 | 17.559 | 20.885 |
| КФБ-3 А4 | 13.38 | 0.133 | 0.302 | 0.534 | 0.836 | 1.207 | 1.639 | 2.143 | 3.346 | 4.827 | 6.552 | 8.571 | 10.844 | 13.383 | 16.211 | 19.286 |
| КФБ-4 А4 | 14.06 | 0.140 | 0.317 | 0.561 | 0.879 | 1.268 | 1.723 | 2.252 | 3.516 | 5.073 | 6.885 | 9.007 | 11.394 | 14.063 | 17.034 | 20.265 |
| КФБ-5 А4 | 11.38 | 0.114 | 0.256 | 0.455 | 0.711 | 1.024 | 1.394 | 1.821 | 2.845 | 4.097 | 5.576 | 7.283 | 9.217 | 11.379 | 13.769 | 16.386 |
| КФБ-6 А4 | 12.06 | 0.121 | 0.271 | 0.482 | 0.754 | 1.085 | 1.477 | 1.929 | 3.015 | 4.341 | 5.909 | 7.718 | 9.768 | 12.059 | 14.592 | 17.365 |
| КФБ-7 А4 | 13.46 | 0.135 | 0.305 | 0.540 | 0.841 | 1.210 | 1.645 | 2.153 | 3.366 | 4.840 | 6.601 | 8.612 | 10.903 | 13.464 | 16.278 | 19.395 |
| КФБ-8 А4 | 14.14 | 0.142 | 0.320 | 0.567 | 0.884 | 1.271 | 1.728 | 2.262 | 3.536 | 5.084 | 6.935 | 9.047 | 11.454 | 14.144 | 17.101 | 20.375 |
| КФБ-9 А4 | 14.32 | 0.143 | 0.321 | 0.571 | 0.893 | 1.286 | 1.750 | 2.286 | 3.586 | 5.160 | 7.020 | 9.166 | 11.598 | 14.315 | 17.319 | 20.607 |
| КФБ-10 А4 | 15.00 | 0.150 | 0.337 | 0.599 | 0.935 | 1.347 | 1.833 | 2.395 | 3.756 | 5.405 | 7.354 | 9.602 | 12.149 | 14.995 | 18.141 | 21.586 |
| КФБ-11 А4 | 16.44 | 0.163 | 0.369 | 0.655 | 1.029 | 1.475 | 2.011 | 2.625 | 4.117 | 5.918 | 8.066 | 10.521 | 13.303 | 16.440 | 19.908 | 23.673 |
| КФБ-12 А4 | 17.13 | 0.171 | 0.386 | 0.685 | 1.071 | 1.542 | 2.099 | 2.741 | 4.284 | 6.168 | 8.396 | 10.966 | 13.879 | 17.134 | 20.733 | 24.637 |
| КФБ-13 А4 | 18.39 | 0.185 | 0.416 | 0.734 | 1.149 | 1.657 | 2.256 | 2.949 | 4.597 | 6.626 | 9.006 | 11.772 | 14.909 | 18.387 | 22.261 | 26.505 |
| КФБ-14 А4 | 19.08 | 0.192 | 0.432 | 0.762 | 1.192 | 1.719 | 2.341 | 3.059 | 4.769 | 6.875 | 9.343 | 12.214 | 15.468 | 19.076 | 23.096 | 27.499 |
Таблица гидравлического сопротивления калориферов КСК 2
| Модель калорифера | Коэффициент | ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ КАЛОРИФЕРОВ КСК 2, КПА | ||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Скорость движения теплоносителя по трубкам, м/сек | ||||||||||||||||
| 0.1 | 0.15 | 0.2 | 0.25 | 0.3 | 0.35 | 0.4 | 0.5 | 0.6 | 0.7 | 0.8 | 0.9 | 1.0 | 1.1 | 1.2 | ||
| КСк 2-1 | 7.33 | 0.073 | 0.164 | 0.293 | 0.458 | 0.660 | 0.896 | 1.173 | 1.833 | 2.635 | 3.593 | 4.693 | 5.933 | 7.333 | 8.865 | 10.559 |
| КСк 2-2 | 7.94 | 0.079 | 0.177 | 0.318 | 0.496 | 0.715 | 0.970 | 1.271 | 1.986 | 2.855 | 3.892 | 5.084 | 6.427 | 7.943 | 9.602 | 11.438 |
| КСк 2-3 | 8.54 | 0.085 | 0.191 | 0.342 | 0.534 | 0.769 | 1.043 | 1.367 | 2.136 | 3.070 | 4.186 | 5.468 | 6.912 | 8.543 | 10.328 | 12.302 |
| КСк 2-4 | 9.14 | 0.091 | 0.204 | 0.366 | 0.571 | 0.823 | 1.117 | 1.463 | 2.286 | 3.286 | 4.480 | 5.852 | 7.398 | 9.144 | 11.053 | 13.167 |
| КСк 2-5 | 10.35 | 0.104 | 0.231 | 0.414 | 0.647 | 0.932 | 1.265 | 1.657 | 2.589 | 3.721 | 5.074 | 6.627 | 8.377 | 10.354 | 12.517 | 14.910 |
| КСк 2-6 | 8.79 | 0.087 | 0.197 | 0.351 | 0.548 | 0.790 | 1.078 | 1.404 | 2.194 | 3.167 | 4.309 | 5.626 | 7.125 | 8.794 | 10.632 | 12.667 |
| КСк 2-7 | 9.40 | 0.093 | 0.210 | 0.375 | 0.585 | 0.844 | 1.152 | 1.500 | 2.343 | 3.383 | 4.603 | 6.010 | 7.612 | 9.395 | 11.357 | 13.532 |
| КСк 2-8 | 10.00 | 0.099 | 0.224 | 0.399 | 0.622 | 0.898 | 1.226 | 1.596 | 2.493 | 3.599 | 4.897 | 6.394 | 8.098 | 9.995 | 12.083 | 14.397 |
| КСк 2-9 | 10.60 | 0.105 | 0.237 | 0.423 | 0.660 | 0.951 | 1.299 | 1.691 | 2.643 | 3.815 | 5.191 | 6.778 | 8.584 | 10.595 | 12.809 | 15.261 |
| КСк 2-10 | 11.81 | 0.117 | 0.264 | 0.471 | 0.735 | 1.060 | 1.448 | 1.885 | 2.945 | 4.251 | 5.784 | 7.553 | 9.565 | 11.806 | 14.272 | 17.005 |
| КСк 2-11 | 21.99 | 0.219 | 0.494 | 0.878 | 1.371 | 1.973 | 2.688 | 3.511 | 5.486 | 7.900 | 10.753 | 14.044 | 17.811 | 21.985 | 26.597 | 31.648 |
| КСк 2-12 | 36.00 | 0.363 | 0.816 | 1.442 | 2.256 | 3.238 | 4.412 | 5.768 | 9.001 | 12.977 | 17.648 | 23.071 | 29.179 | 36.004 | 43.594 | 51.909 |
Таблица гидравлического сопротивления калориферов КСК 3
| Модель калорифера | Коэффициент | ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ КАЛОРИФЕРОВ КСК 3, КПА | ||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Скорость движения теплоносителя по трубкам, м/сек | ||||||||||||||||
| 0.1 | 0.15 | 0.2 | 0.25 | 0.3 | 0.35 | 0.4 | 0.5 | 0.6 | 0.7 | 0.8 | 0.9 | 1.0 | 1.1 | 1.2 | ||
| КСк 3-1 | 9.11 | 0.090 | 0.205 | 0.366 | 0.569 | 0.818 | 1.114 | 1.452 | 2.277 | 3.279 | 4.459 | 5.824 | 7.366 | 9.108 | 11.021 | 13.108 |
| КСк 3-2 | 9.68 | 0.096 | 0.218 | 0.388 | 0.605 | 0.869 | 1.183 | 1.543 | 2.420 | 3.484 | 4.738 | 6.189 | 7.828 | 9.678 | 11.711 | 13.929 |
| КСк 3-3 | 10.25 | 0.102 | 0.231 | 0.411 | 0.641 | 0.920 | 1.253 | 1.634 | 2.562 | 3.690 | 5.017 | 6.554 | 8.289 | 10.249 | 12.401 | 14.750 |
| КСк 3-4 | 10.82 | 0.107 | 0.243 | 0.434 | 0.676 | 0.972 | 1.323 | 1.725 | 2.705 | 3.895 | 5.296 | 6.919 | 8.751 | 10.819 | 13.092 | 15.571 |
| КСк 3-5 | 11.96 | 0.119 | 0.269 | 0.480 | 0.748 | 1.074 | 1.462 | 1.907 | 2.990 | 4.306 | 5.855 | 7.648 | 9.674 | 11.960 | 14.472 | 17.213 |
| КСк 3-6 | 12.12 | 0.122 | 0.273 | 0.484 | 0.760 | 1.091 | 1.483 | 1.944 | 3.028 | 4.357 | 5.946 | 7.753 | 9.815 | 12.120 | 14.659 | 17.449 |
| КСк 3-7 | 12.97 | 0.131 | 0.292 | 0.518 | 0.814 | 1.167 | 1.587 | 2.080 | 3.240 | 4.662 | 6.363 | 8.296 | 10.503 | 12.970 | 15.687 | 18.673 |
| КСк 3-8 | 13.83 | 0.140 | 0.311 | 0.552 | 0.868 | 1.244 | 1.693 | 2.218 | 3.455 | 4.971 | 6.785 | 8.846 | 11.200 | 13.830 | 16.727 | 19.911 |
| КСк 3-9 | 14.68 | 0.148 | 0.330 | 0.586 | 0.921 | 1.321 | 1.797 | 2.354 | 3.667 | 5.277 | 7.202 | 9.390 | 11.888 | 14.680 | 17.755 | 21.134 |
| КСк 3-10 | 16.39 | 0.166 | 0.369 | 0.655 | 1.028 | 1.475 | 2.006 | 2.628 | 4.095 | 5.892 | 8.041 | 10.484 | 13.273 | 16.390 | 19.823 | 23.596 |
| КСк 3-11 | 34.25 | 0.346 | 0.769 | 1.365 | 2.141 | 3.078 | 4.199 | 5.477 | 8.564 | 12.311 | 16.797 | 21.909 | 27.739 | 34.251 | 41.411 | 49.347 |
| КСк 3-12 | 64.29 | 0.643 | 1.440 | 2.573 | 4.034 | 5.790 | 7.863 | 10.293 | 16.084 | 23.160 | 31.524 | 41.174 | 52.111 | 64.292 | 77.844 | 92.641 |
Таблица гидравлического сопротивления калориферов КСК 4
| Модель калорифера | Коэффициент | ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ КАЛОРИФЕРОВ КСК 4, КПА | ||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Скорость движения теплоносителя по трубкам, м/сек | ||||||||||||||||
| 0.1 | 0.15 | 0.2 | 0.25 | 0.3 | 0.35 | 0.4 | 0.5 | 0.6 | 0.7 | 0.8 | 0.9 | 1.0 | 1.1 | 1.2 | ||
| КСк 4-1 | 9.62 | 0.095 | 0.216 | 0.385 | 0.600 | 0.866 | 1.177 | 1.537 | 2.398 | 3.465 | 4.710 | 6.146 | 7.786 | 9.616 | 11.632 | 13.841 |
| КСк 4-2 | 10.17 | 0.101 | 0.229 | 0.407 | 0.634 | 0.916 | 1.245 | 1.624 | 2.535 | 3.663 | 4.979 | 6.498 | 8.232 | 10.166 | 12.298 | 14.633 |
| КСк 4-3 | 10.74 | 0.107 | 0.241 | 0.429 | 0.670 | 0.967 | 1.315 | 1.716 | 2.677 | 3.868 | 5.259 | 6.862 | 8.694 | 10.736 | 12.988 | 15.454 |
| КСк 4-4 | 11.31 | 0.112 | 0.254 | 0.452 | 0.706 | 1.018 | 1.385 | 1.807 | 2.819 | 4.074 | 5.538 | 7.227 | 9.156 | 11.307 | 13.678 | 16.275 |
| КСк 4-5 | 12.45 | 0.124 | 0.280 | 0.498 | 0.777 | 1.121 | 1.524 | 1.989 | 3.104 | 4.485 | 6.097 | 7.956 | 10.079 | 12.447 | 15.058 | 17.916 |
| КСк 4-6 | 13.01 | 0.130 | 0.293 | 0.520 | 0.811 | 1.171 | 1.590 | 2.081 | 3.247 | 4.685 | 6.375 | 8.319 | 10.541 | 13.011 | 15.733 | 18.739 |
| КСк 4-7 | 13.87 | 0.138 | 0.312 | 0.554 | 0.864 | 1.249 | 1.695 | 2.219 | 3.462 | 4.995 | 6.796 | 8.869 | 11.238 | 13.871 | 16.773 | 19.978 |
| КСк 4-8 | 14.72 | 0.147 | 0.331 | 0.588 | 0.917 | 1.325 | 1.799 | 2.355 | 3.674 | 5.301 | 7.213 | 9.412 | 11.926 | 14.721 | 17.801 | 21.202 |
| КСк 4-9 | 15.58 | 0.156 | 0.351 | 0.622 | 0.971 | 1.403 | 1.904 | 2.492 | 3.889 | 5.610 | 7.634 | 9.962 | 12.623 | 15.581 | 18.841 | 22.441 |
| КСк 4-10 | 17.29 | 0.173 | 0.389 | 0.690 | 1.078 | 1.557 | 2.113 | 2.766 | 4.315 | 6.226 | 8.472 | 11.055 | 14.009 | 17.291 | 20.908 | 24.904 |
| КСк 4-11 | 37.15 | 0.371 | 0.835 | 1.484 | 2.319 | 3.335 | 4.545 | 5.937 | 9.276 | 13.358 | 18.182 | 23.748 | 30.118 | 37.154 | 44.974 | 53.115 |
| КСк 4-12 | 71.19 | 0.711 | 1.606 | 2.860 | 4.453 | 6.423 | 8.722 | 11.372 | 17.812 | 25.586 | 34.886 | 45.556 | 57.647 | 71.194 | 86.093 | 102.448 |
Нахождение гидравлических потерь калорифера по табличным данным
Наиболее простой и быстрый способ определения потерь давления в практике монтажных и эксплуатационных работ. Готовые значения гидравлического сопротивления для каждой модели калорифера уже рассчитаны для фиксированного шага скоростей и сведены в заводскую таблицу. Нужный показатель в килопаскалях (кПа) находится на пересечении строки с наименованием воздухонагревателя и столбца с текущей расчетной скоростью движения теплоносителя. При попадании скорости в промежуточное значение между табличными точками применяется стандартный метод линейной интерполяции.
⚙️ Пример расчета 3.
Определить гидравлическое сопротивление водяного калорифера по табличным данным.
Исходные данные:
- • Модель прибора: калорифер КСк 2-11;
- • Заданная скорость теплоносителя в трубках (W): 0.390 м/сек.
Расчет методом интерполяции:
Заданная скорость 0.390 м/с находится между табличными значениями 0.35 м/с (сопротивление 2.688 кПа) и 0.40 м/с (сопротивление 3.511 кПа).
ΔPw = 2.688 + (3.511 - 2.688) / (0.40 - 0.35) • (0.390 - 0.35) = 2.688 + 0.823 / 0.05 • 0.04 = 2.688 + 16.46 • 0.04 = 2.688 + 0.6584 = 3.346 кПа
- • 2.688 — гидравлическое сопротивление калорифера КСк 2-11 при скорости 0.35 м/с, кПа;
- • 3.511 — гидравлическое сопротивление калорифера КСк 2-11 при скорости 0.40 м/с, кПа;
- • 3.346 — итоговый результат потерь давления для скорости 0.39 м/с в кПа.
Техническое примечание: Представленные эмпирические таблицы и паспортные коэффициенты гидравлического сопротивления (C) являются универсальными для контуров, работающих на чистой воде в стандартном эксплуатационном диапазоне температур. При переводе систем на незамерзающие гликолевые растворы, к результатам табличного или экспресс-расчета гидравлического сопротивления необходимо применять повышающие коэффициенты: ΔP факт = ΔP табл • K_гликоль
- - для растворов этиленгликоля (концентрация 30–40%): K_гликоль = 1.20…1.28;
- - для растворов пропиленгликоля (концентрация 30–40%): K_гликоль = 1.30…1.42.
Эксплуатационные ограничения и гидродинамические режимы работы
Безопасность и энергоэффективность теплообменного контура зависят не только от точности проектных расчетов, но и от изменяющихся условий эксплуатации. Нарушение гидродинамического режима, перевод системы на альтернативные теплоносители или игнорирование качества водоподготовки способны критически изменить гидравлические потери калорифера.
В данном разделе подробно рассмотрены три ключевых эксплуатационных аспекта:
- • Гидродинамика гликолевых антифризов: рост вязкости растворов этилен- и пропиленгликоля ламинаризирует поток и увеличивает проектное сопротивление системы на 20–40%.
- • Критические скоростные границы: падение скорости теплоносителя ниже 0.12 м/с ведет к завоздушиванию и разморозке трубок, а форсирование свыше 1.2 м/с вызывает эрозионный износ каналов.
- • Фактор накипи и коррозии: отложения толщиной 0.5 мм сужают сечение трубок КСк на 15%, в то время как ширококанальные аппараты ТВВ и КФБ-А М более устойчивы к «зарастанию».
Особенности гидродинамики при использовании гликолевых растворов
Применение водных растворов этиленгликоля и пропиленгликоля взамен чистой сетевой воды существенно изменяет гидродинамические характеристики гидравлического тракта калорифера. Переход на незамерзающие теплоносители сопровождается одновременным ростом плотности среды и нелинейным увеличением ее вязкости, что влечет за собой заметное изменение номинальных потерь давления.
Физика процесса трансформации гидравлического сопротивления контура на антифризах определяется следующими факторами:
- • Смещение гидродинамического режима. Динамическая вязкость гликолевых растворов в рабочем температурном графике значительно превышает аналогичный показатель воды. В результате внутреннее вязкостное трение слоев жидкости возрастает, а интенсивность перемешивания потока снижается. Движение теплоносителя в трубках калорифера может сместиться из развитого турбулентного режима в нестабильный переходный или ламинарный, что способно привести к росту коэффициента гидравлического трения по длине.
- • Увеличение линейных и местных потерь давления. При сохранении постоянного объемного расхода суммарное гидравлическое сопротивление калорифера на 30–50% растворах гликоля возрастает в среднем на 20–40% по сравнению с водяным контуром. При этом пропиленгликоль в силу своих физико-химических свойств обладает большей динамической вязкостью, чем этиленгликоль, и при равных концентрациях генерирует более высокое сопротивление.
Критические и минимально допустимые скорости движения среды
Скорость движения теплоносителя в трубном пучке калорифера является ключевым эксплуатационным параметром, определяющим характер гидродинамического режима и стабильность работы гидравлического тракта.
Для обеспечения эффективной эксплуатации воздухонагревателей установлены следующие скоростные границы:
- • Оптимальный рабочий диапазон: 0.2–0.5 м/с. В этих пределах гарантированно поддерживается стабильный турбулентный режим течения жидкости, обеспечивающий высокий коэффициент теплопередачи при умеренных потерях давления.
- • Максимально допустимый предел: 1.2 м/с. Дальнейшее форсирование расхода нецелесообразно, так как оно не приводит к существенному приросту теплосъема, но вызывает квадратичный рост гидравлического сопротивления и ускоряет эрозионный износа внутренних каналов.
- • Минимально допустимый порог: 0.12 м/с. Падение скорости ниже этого критического значения недопустимо по двум основным гидродинамическим причинам:
- 1. Завоздушивание контура. При низких скоростях нисходящий поток жидкости теряет способность увлекать за собой и выталкивать пузырьки воздуха. Образующиеся воздушные пробки блокируют проток и выводят из работы отдельные группы трубок. Для стабильного автоматического выноса воздуха из вертикальных каналов требуется скорость не менее 0.20–0.25 м/с.
- 2. Ламинаризация потока. Снижение скорости менее 0.12 м/с переводит течение в ламинарный режим с ухудшением переноса тепла и утолщением пристенного пограничного слоя, что кратно повышает риск стремительной разморозки трубок при отрицательных температурах приточного воздуха.
При проектировании узлов автоматического регулирования калориферов на базе чистой сетевой воды необходимо полностью исключать глубокое дросселирование расхода в зимний период. Изменение тепловой мощности должно происходить за счет качественного регулирования (подмеса обратной воды), сохраняющего скорость циркуляции внутри теплообменных каналов в безопасных пределах.
Влияние внутренней коррозии и накипеобразования на гидравлическое сопротивление контура
В процессе многолетней эксплуатации промышленных калориферов состояние внутренней поверхности их теплообменных каналов непрерывно ухудшается. Накопление известковых отложений (накипи) и развитие процессов коррозии оказывают сильное негативное влияние на гидродинамику контура, вызывая прогрессирующий рост его гидравлического сопротивления.
С точки зрения физики гидродинамических процессов этот рост обусловлен двумя взаимосвязанными факторами:
- • Сужение эффективного живого сечения трубок. Отложение солей жесткости и скопление продуктов коррозии формируют на внутренних стенках трубок твердый шероховатый слой. При толщине отложений всего 0.5 мм на калориферах серии КСк (внутренний диаметр трубки 13 мм) полезная площадь проходного сечения канала уменьшается сразу на 15%, вызывая принудительный рост локальной скорости потока. В то же время ширококанальные аппараты серий ТВВ и КФБ-А М (внутренний диаметр 19 мм) обладают повышенной эксплуатационной стойкостью к «зарастанию»: при аналогичных отложениях потеря сечения составляет всего 10%, что обеспечивает более стабильные гидравлические параметры во времени.
- • Рост относительной эквивалентной шероховатости. Очаги глубокой язвенной коррозии, каверны и бугристые наслоения накипи превращают внутреннюю поверхность каналов в зону с высокой шероховатостью. Это вызывает резкое возрастание коэффициента гидравлического трения по длине, интенсифицируя дополнительное завихрение пристенных слоев жидкости даже при умеренных скоростях. Комбинация этих факторов приводит к тому, что гидравлическое сопротивление калорифера со сроком службы более 5–7 лет при отсутствии регулярных промывок может возрасти на 40–80% от исходных паспортных значений. Использование аппаратов с наружным диаметром несущих трубок 22 мм (ТВВ, КФБ-А М) в системах со сниженным качеством водоподготовки выступает эффективным конструктивным решением, замедляющим лавинообразный рост потерь давления и сохраняющим расчетную тепловую мощность оборудования.
Гидравлика секционных сборок и схемы подключения калориферов
При проектировании крупных приточных вентиляционных систем тепловой мощности одного теплообменного модуля часто оказывается недостаточно. В этих случаях осуществляется компоновка калориферов в многорядные секции или блоки, где суммарное гидравлическое сопротивление узла напрямую зависит от выбранной схемы распределения потоков.
Конструктивно выделяют два основных типа сопряжения модулей в гидравлической сети:
- • Параллельное подключение: каждый калорифер секции автономно подключается к подающему и отводящему коллекторам насосного узла. Расход теплоносителя равномерно распределяется между модулями, что позволяет сохранять умеренную скорость движения воды в трубках и минимальные потери давления во всей секции. Схема приоритетна для систем с жестким лимитом располагаемого напора циркуляционных насосов.
- • Последовательное подключение: сетевая вода из подающего трубопровода поступает в патрубок только первого по ходу движения теплоносителя калорифера. Пройдя его внутренний контур, весь объем рабочей среды направляется в распределительный коллектор следующего аппарата. В такой системе общее гидравлическое сопротивление блока рассчитывается как сумма потерь каждого модуля. Это увеличивает нагрузку на циркуляционную систему и требует установки высоконапорного насосного оборудования, однако позволяет достичь максимального температурного перепада в контуре и глубокого охлаждения обратного теплоносителя.
Справочно-техническая документация
Таблицы габаритных размеров и развернутые теплоаэродинамические и гидродинамические характеристики оборудования представлены на страницах серий водяных калориферов. Для перехода к детальному описанию или скачиванию технической документации воспользуйтесь интерактивным меню ниже.