Эффективная конвекция
Опубликовано: 20 мая 2015 г.
641
Свое собственное место среди отопительных приборов занимают конвекторы, важнейшее отличие которых от радиаторов, обуславливающее и специфику конструкции, и все достоинcтва и недостатки, – преимущественно конвективный способ теплопередачи. Все статьи номера ЗДЕСЬ,
Основа конструкции конвектора – нагревательный элемент, который часто заключается в имеющий низкую тепловую инерцию кожух. Поступая снизу, комнатный воздух нагревается и поднимается вверх. Благодаря этому, более 90 % тепла передается конвекцией. Широкое распространение конвекторы, особенно эффективные при невысоких (до 70 °С) температурах теплоносителя, получили в автономных системах теплоснабжения. Так, они могут быстро прогреть помещение до комфортных параметров при температуре теплоносителя даже меньше 40 °C.
Современные конвекторы гармонично вписываются практически в любой интерьер (рис. 1), архитектурную среду, активно использующую большие окна, эркеры, зимние сады и т. д. При этом конструкторам удалось снизить до минимума массу и габариты таких приборов и добиться высокой степени автоматизации их работы, регулируемости, удачно сочетающейся с эффективным теплосъемом.
Рис. 1. Встроенный в пол конвектор
Низкая инерция
В самом общем плане все водяные (точнее, использующие жидкий теплоноситель) конвекторы можно разделить на приборы с естественной и принудительной (вентиляторные) конвекцией. Конструктивно они могут иметь различные решения. Например, это радиаторные конвекторы, по сути являющиеся комбинацией двух приборов. Их устанавливают около окон, на полу или на небольших подставках. Плинтусные конвекторы располагаются в полу под большими окнами. Малая высота (90–100 мм) не требует ниш, а слабый конвективный поток можно интенсифицировать медленно вращающимся и потребляющим небольшой объем энергии вентилятором.
Конвекторы, заглубленные в пол, можно рассматривать как один из оптимальных вариантов для помещений, расположенных на первых этажах. Прибор, размещенный ниже уровня пола, нагревает проходящий вдоль окна холодный воздух и создает естественную циркуляцию в помещении.
Традиционные конвекторы
Главная часть традиционного (с естественной конвекцией) водяного конвектора – трубчато-ребристый нагревательный элемент, который может быть стальным, медным, алюминиевым, биметаллическим и чугунным.
Стальные конвекторы – привычный для России отопительный прибор. Хорошо известны получившие широкое распространение модели «Аккорд». Конструктивно они состоят из двух расположенных одна над другой труб (в оконечных модификациях – одна изогнутая труба) диаметром ¾” (20 мм) с насаженными на них с шагом 40 мм П-образными элементами из стали толщиной 0,8 мм. Эффективный контакт пластин с трубами, критичный для кондуктивной (от трубы к пластине) теплопередачи, обеспечивается за счет расширения диаметра труб после сборки (дорнования). Модификации таких приборов могут иметь двухрядную по глубине и двухъярусную по высоте компоновку, размещаться на стене и не оборудоваться кожухом.
Пример стальных конвекторов с кожухом – отечественные модели «Комфорт-М», «Универсал», «Кузнецк-Ритм», фактически продолжающие соответствующие линейки, популярные еще тридцать лет назад. Они бывают настенными и напольными. У первых кожух образуется боковыми стенками, верхней воздуховыпускной решеткой и фронтальной панелью. Заднюю панель заменяет ограждающая конструкция (стена), к которой крепится прибор.
Напольные конвекторы оснащены кожухами коробчатого типа. Такой кожух, являясь элементами интерьера и безопасности, участвует в формировании и интенсификации воздушного потока, обтекающего нагревательный элемент. Регулирование потока нагреваемого воздуха и, соответственно, теплоотдачи обеспечивает воздушный клапан-заслонка, которой обычно оснащаются современные модификации.
Номенклатура отечественных конвекторов с кожухом включает модели малой (94 мм) и средней (156 мм) глубины. В первом случае трубчато-пластинчатый нагревательный элемент состоит из стальных пластин размером (глубина × высота) 90×130, во втором – 150×75 мм; толщина – 0,5 мм. Пластины насаживают на две электросварных трубы диаметром 26 мм с толщиной стенки 2,5 мм. Межосевое расстояние – 80 мм. Пластины насаживаются с шагом 6 мм. Их контакт с несущими трубами обеспечивается дорнованием последних на 0,3–0,5 мм. Обычно конвекторы средней глубины оборудуют двумя нагревательными элементами, расположенными один над другим; несущие трубы каждого элемента находятся относительно друг друга в горизонтальной плоскости. Их обвязка выполняется «калачами». Конвекторы малой глубины имеют один нагревательный элемент с расположением несущих труб одна над другой.
Выпускаются такие приборы в концевом и проходном исполнениях, для левого и правостороннего подключения, подвода теплоносителя по схеме «сверху вниз» и «снизу вверх», различной длины и теплоотдачи. Шаг мощности (для моделей московского ОАО «Сантехпром» в среднем 0,13 кВт) позволяет подбирать при проектировании конвекторы с высокой точностью, сводя к минимуму нерациональные «запасы мощности» и снижая издержки потребителя.
Отопительные приборы этого вида имеют невысокую стоимость, но именно это в сочетании с работой производителей над улучшением дизайна и других потребительских характеристик (например, технологии покраски кожуха) позволяет размещать их на высоких позициях в рейтинге по комплексному параметру «цена/качество» среди других вариантов, предлагаемых современным рынком.
Рис. 2. Конвектор «Сантехпром Авто»
Конвектор «Сантехпром Авто» оснащен встроенным термостатическим клапаном, тип которого зависит от того, в какой системе будет работать прибор – одно- или двухтрубной (рис. 2). В модели, предназначенные для однотрубных систем отопления, встроен байпас (замыкающий участок), обеспечивающий расчетный коэффициент затекания теплоносителя в конвектор. Для двухтрубных систем отопления предлагаются конвекторы, термостатический клапан которых обладает механизмом гидравлической настройки и оснащен воздуховыпускным клапаном. Кожух конвекторов с двухслойным покрытием порошковыми эмалями в электростатическом поле белого цвета, выполнен без острых углов, воздуховыпускная решетка эстетична. Он легко демонтируется при необходимости очистки нагревательного элемента от пыли.
Рис. 3. Напольный конвектор с кожухом КВ-У серии КПВК
Отечественная номенклатура напольных стальных конвекторов включает низкие и высокие модели. Последние, например, напольные конвекторы с кожухом КВ-У серии КПВК компании «Сантехкомплект» (рис. 3). Их мощность – 4,6–13, 5 кВт в зависимости от модели, максимальная температура теплоносителя – 115 °С. Область применения этих приборов – отопление больших помещений, в том числе лестничных пролетов и холлов. В конвекторах имеется три нагревательных элемента – таких же, как для настенных конвекторов средней глубины (размер пластин – 150×75 мм), расположенных под углом к горизонтальной поверхности (на ребре) и соединенных между собой «калачами». Высота таких приборов – 650–1450 мм. Длина оребренной части нагревательного элемента – до 1200 мм. Фронтальные панели прибора выполнены сборными, облегчая очистку от пыли. Конструкция конвекторов позволяет устанавливать последовательно два прибора.
Низкие напольные конвекторы состоят из трубчато-пластинчатого нагревательного элемента и прочного стального кожуха на ножках. Они используются для создания теплового экрана при значительных тепловых потерях через ограждающие конструкции. На рынке присутствуют как проходные, так и концевые модели длиной до 1500 мм. Приборы можно устанавливать последовательно, объединяя вместе 2–5 и более единиц. Напольные модели обычно также комплектуют воздушным клапаном для регулирования теплового потока аналогично настенным приборам.
Срок их службы, лимитируемый толщиной стенки трубы нагревательного элемента, в общем случае равен нормативному сроку эксплуатации труб системы отопления. Поэтому по определению производителя он составляет 25 лет (гарантийный – 5 лет), хотя, конечно, он может быть и гораздо больше. Стальные конвекторы могут работать при температуре теплоносителя до 150 °С и рабочем давлении 1,0 (испытательное – 1,5) МПа. Наличие кожуха предотвращает получение пользователем ожогов и обеспечивает комфорт в помещении, низкая инерционность позволяет оперативно регулировать температурные параметры систем отопления. В нештатных ситуациях (авариях) развитое оребрение, создающее необходимые условия для обратного теплопереноса, и трубы, в которых вода циркулирует с большой скоростью, сводят к минимуму опасность замерзания воды в таких приборах.
Рис. 4. Медно-алюминиевый конвектор «Коралл»
К прошедшим проверку временем отечественным конвекторам, в которых используются несколько металлов – сталь, медь, алюминий, можно отнести биметаллический (медно-алюминиевый) прибор «Коралл» компании «Изотерм» (рис. 4). Его конструкция включает стойкий к коррозии тепловой модуль, состоящий из медной трубы и алюминиевых пластин оребрения, кожух из оцинкованной стали и решетку, окрашенных методом порошкового напыления. Прибор выпускается в настенном и напольном исполнениях и может комплектоваться тремя видами решеток: алюминиевой, стальной наборной и стальной просечной. Для упорядочивания цветовых исполнений конвекторов серии «Коралл» компания «Изотерм» ввела два основных понятия: «стандартный цвет» и «нестандартный цвет». «Стандартный цвет» подразумевает использование набора цветов из списка, что не ведет к удорожанию прибора, предназначенного для установки как в жилых, так и офисных помещениях. Приборы новой линейки той же компании (серия НКОН) медно-алюминиевых конвекторов с кожухом высотой 100 мм изготавливаются в комплекте с термостатическим оборудованием (рис. 5). Варианты исполнения решетки – продольная или просечная.
Рис. 5. Медно-алюминиевый конвектор серии НКОН
Конструкция конвектора «ЛАК КНБ-м-500» («литой алюминиевый конвектор»), разработанного еще в конце 1980 гг. НИИ Сантехники, включает стальные трубы и ребристую теплоотдающую поверхность, выполненную методом литья под давлением из алюминиевого сплава. Качественный контакт между трубами и оребрением обеспечивается в процессе отливки ребер.
Прибор собирается из модулей (секций), которые бывают проходными (вариант А) и концевыми с приварным (вариант Б) или цельным и закрытым (вариант В) «калачом». Каждый модуль состоит из двух стальных труб, залитых алюминиевым оребрением по технологии литья под давлением. Такая конструкция исключает контакт алюминия с водой и возможность возникновения гальванической пары «сталь – алюминий» с электрохимической коррозией внутри отопительного прибора. Прямоточное движение теплоносителя снижает вероятность накопления солевых и грязевых отложений и потери теплоотдачи конвектора с течением времени. Конфигурация прибора обеспечивает свободную циркуляцию воздуха и быстрый равномерный обогрев всего помещения. У него сглаженные травмобезопасные формы без острых кромок и углов. Конвекторы «ЛАК» бывают одно-, двух-, трех-, четырех- и пятисекционными.
Прибор предназначен для установки в домах средней этажности и коттеджах в системах водяного отопления с рабочим давлением до 1,0 МПа, габаритные размеры модуля (В × Ш × Г) – 500 × 332 × 80 мм, межосевое расстояние – 220 мм, емкость модуля– 0,24 л, масса– 8,5 кг, мощность – 510 Вт, максимальная температура теплоносителя – 130 °С.
Еще один вид традиционных для нашей страны отопительных приборов конвективного типа – чугунные. Конвекторы «Куса-3» производства Кусинского литейно-машиностроительного завода (Челябинская обл.) собираются из секций (стандартное число – 2, 4, 6, 9) и могут быть одно- и многоярусными. Пластины оребрения имеют овальную, вытянутую по вертикали форму. Номинальный тепловой поток одной секции – 0,2 кВт, размеры (длина × высота × ширина) – 288×200×75 мм, масса – порядка 10 кг. Приборы рассчитаны на работу в системах с температурой теплоносителя до 130 °С и рабочим давлением до 0,9 МПа. Они могут использоваться для отопления жилых помещений и устанавливаться под низкими подоконниками. Но традиционная область применения чугунных конвекторов – это промышленные объекты, склады, ангары и т.п.
Встраиваемые и фасадные конвекторы
Современные архитектурные тенденции обусловили рост популярности еще одного вида конвекторов – встраиваемых или внутрипольных. Они часто используются для отопления помещений с большими поверхностями остекления в зданиях административного и общественного назначения.
В коттеджах и элитных городских квартирах часто предусматриваются конвекторы «невидимки», предоставляющие полную свободу при выборе дизайнерского решения: приборы могут иметь неограниченную длину и непрямолинейную форму, повторять контуры стен или огибать колонны.
В таком приборе короб с теплообменником скрыт в конструкции пола и погружен в цементную стяжку или проемы, организованные в фальшполах. На виду остается только декоративная решетка, цвет которой можно подобрать под внутренний интерьер помещения.
Внутрипольные конвекторы бывают с естественной и принудительной конвекцией. Но предпочтение часто отдается вентиляторным моделям. В системах отопления индивидуальных домов конвекторы с естественной циркуляцией большей частью применяются в качестве вспомогательного отопительного прибора.
Наличие у встраиваемого конвектора одного или нескольких вентиляторов (радиальных или тангенциальных) увеличивает скорость теплового обмена, позволяет решать задачи по обогреву больших помещений.
У большинства встраиваемых приборов кожух изготавливается из оцинкованной или нержавеющей стали. В качестве нагревательного элемента используется медно-алюминиевый теплообменник, но есть модели и с полностью медными нагревательными элементами, которые находят применение в банях и бассейнах .
Для удобства монтажа теплообменники могут выполняться концевыми (подающая и обратная трубы подводятся с одной стороны)или сквозными. Конвекторы с односторонней обвязкой обладают тем преимуществом, что при подсоединении к системе отопления с помощью гибких подводок дают возможность вынимать теплообменник из короба без отключения от системы, что удобно при уборке. Решетка может быть продольной или рулонной. Она изготавливается из анодированного или покрытого полимерной краской алюминия, а также из нержавеющей стали, латуни и ценных пород дерева.
Для топ-моделей встраиваемых конвекторов характерен высокий уровень автоматизации. Как правило, в регулировании их работы участвует и термостатический клапан, и система управления вентилятором. Включение и выключение вентилятора, изменение скорости его вращения могут осуществляться по командам комнатного термостата или другого управляющего устройства, в том числе программируемого.
Для обогрева застекленных фасадов большой площади фирмой Kampmann (Германия) были разработаны конвекторные системы Katherm QK на базе медно-алюминиевых теплообменников. Нагревательные элементы, собранные из секций длиной до 6 м и помещенные в корпус из алюминиевого профиля с перфорированными поверхностями (верхней и нижней), распределяются по высоте фасада и блокируют поступление в помещение потоков холодного воздуха.
Приборы этой серии, реализующие режимы как естественной, так и принудительной (вентилятор с ЕС-приводом) конвекции имеют ширину 182–400 мм, высоту 112 мм и длину 1250–3250 мм (шаг 500 мм), рабочее давление 1,0 МПа (есть эксклюзивные модели с давлением 1,6 МПа), tmax теплоносителя 120 °С. Верхняя решетка может быть линейной или рулонной. В стандартный комплект входит также управляющий модуль KaControl, который позволяет подключать в единую сеть до 30-ти приборов.
Конвекторы для низкотемпературных систем
При переходе на более низкие температурные параметры теплоносителя возрастает доля конвективного переноса тепла. Наиболее полно такой механизм реализуется в конвекторах. При этом режим принудительной конвекции позволяет в разы его увеличить.
Например, в приборах, позиционируемых как радиаторы, но в низкотемпературных режимах скорее являющихся конвекторами (поэтому точнее выделить их в подтип радиатор-конвектор), Jaga Low H2O за счет дополнительного устройства DBE (динамическое нагнетание воздуха), теплоотдача может быть увеличена в 3 раза при соответствующем сокращении габаритов (рис. 6). Причем DBE-вентиляторы имеют уровень шума до 30 дБ.
Рис. 6. Радиатор Low H2O
Низкоинерционные и вместе с тем имеющие при необходимости большую удельную мощность приборы позволяют организовать систему интеллектуального управления. В этом случае датчики постоянно реагируют на температуру в комнате и воды в радиаторе. Когда температура в комнате опускается ниже запрограммированного значения, микропроцессор немедленно увеличивает производительность вентиляторов. По достижении требуемой температуры скорость вентиляторов уменьшается, снижая конвективную теплоотдачу.
Среди важнейших направлений развития современных отопительных технологий – понижение температуры теплоносителя. Это позволяет сократить расход первичных энергоносителей за счет уменьшения тепловых потерь, скорости протекания коррозионных процессов и образования накипи, а также исключить возможность ожогов пользователей от теплопроводов и отопительных приборов. Снижение температурных параметров теплоносителя стало возможным благодаря не только улучшению теплоизоляции зданий, но и повышению эффективности работы отопительных приборов.
Дальнейшее развитие технологий теплоснабжения, использование источников энергии с низкой (40–60 °C) температурой нагрева теплоносителя (тепловые насосы, гелиоколлекторы), появление новых архитектурных решений обусловили потребность в конвекторах, компактность, малые металлоемкость и инерционность которых сочетались бы с повышенной теплоотдачей.
Таким требованиям отвечают приборы на базе медно-алюминиевых нагревательных элементов. Медными в них являются трубки, по которым протекает теплоноситель, а алюминиевыми – пластины оребрения. Физико-химические характеристики меди обеспечивают приборам прочность и коррозионную устойчивость, пластичность, низкий по сравнению с железом удельный вес, а высокая теплопроводность алюминия – эффективность и малую инерционность.
Так, нагревательный элемент в конвекторах бельгийской компании Jaga состоит из четырех параллельных медных трубок и набора алюминиевых пластин, которым при изготовлении придан оптимальный с точки зрения теплопередачи профиль. Технология крепления пластин на трубах обеспечивает хороший контакт элементов и размещение пластин на минимальном расстоянии друг от друга. Трубки объединяются латунными коллекторами. Вся конструкция теплообменника покрывается лаковым графитовым покрытием, выполняющим грязеотталкивающую и пылезащитную функции.
Обеспечивая требуемый тепловой поток при малых температурах теплоносителя, конвекторы на базе таких теплообменников, как правило, успешно функционируют и при параметрах теплоносителя, обычных для российских систем центрального отопления. Так, для приборов Jaga максимальная рабочая температура составляет 130 °C, давление – 1,3 МПа.
Некоторые модели настенных конвекторов оснащают встроенным вентилятором. Это позволяет увеличить теплопередачу прибора (что означает компактность решения), обеспечить при необходимости быстрый прогрев помещения. Применение вентилятора с регулированием скорости его вращения дает дополнительную возможность управлять микроклиматом в помещении, автоматизируя данный процесс.
Конвекторы-вентиляторы
Отдельный вид вентиляторных конвекторов – конвекторы с забором для нагрева наружного воздуха. Среди их функций – вентилирование обогреваемого помещения. При этом специальный клапан позволяет регулировать соотношение воздуха, подаваемого к теплообменнику снаружи и изнутри помещения. Преимущественная область применения таких приборов – большие жилые помещения, офисы, конференц-залы, бассейны. В летнее время их можно использовать для охлаждения (как, впрочем, и другие конвекторы с медно-алюминиевыми теплообменниками).
Рис. 7. Встраиваемый в пол конвектор с подачей наружного воздуха Venta.
Модули: 1– основной с декоративной рамкой; 2 – приточного воздуха с аксиальным вентилятором, системой шумоглушения и микропроцессорным регулятором; 3 – забора приточного воздуха; 4 – рециркуляционного воздуха с тангенциальными вентиляторами
Например, это встраиваемый в пол конвектор Venta F (рис. 7). Он оснащен двумя типами вентиляторов – аксиальными приточного воздуха и тангенциальными –рециркуляционного воздуха. Вентиляторы имеют частотное независимое регулирование микропроцессорным блоком регулирования температуры, встроенным в прибор. В корпусе установлен высокоэффективный медно-алюминиевый теплообменник, работающий как в 2-трубной, так и 4-трубной системах подачи теплохолодоносителя. Для сбора конденсата используется поддон с дренажным патрубком.
Основной модуль выполнен из оцинкованной стали с износостойким черным порошковым покрытием, запрессованной по периметру декоративной рамкой из алюминия U-образного либо F-образного профиля в цвет роликовой либо линейной решетки из анодированного алюминия. Она окрашена либо по RAL, либо с фактурой дерева, мрамора, гранита. Рабочее давление теплохолодоносителя – 1,6 МПа, давление гидравлических испытаний конвектора – 2,5 МПа, максимальная рабочая температура теплоносителя – 130 °С.
Статья из журнала «Аква-Терм» № 6 (82), ноябрь-декабрь, 2014.
