Законы управляемой конвекции

Понятие «экология жилища и офиса» в современной строительной прессе рассматривается почти исключительно в плане обеспечения нормального воздухообмена в помещении, защиты от вредных атмосферных воздействий и испарения вредных химических элементов из отделочных материалов. Между тем в Беларуси, стране, находящейся в умеренном климатическом поясе, главным фактором комфортного пребывания в здании остается температурный режим – отопительный сезон длится едва ли не половину года. Это обстоятельство заставляет со всей серьезностью отнестись к выбору систем обогрева помещений и в частности – отопительных батарей.

Коэффициент теплопроводности (Вт/м. град) характеризует интенсивность передачи тепла через стенку из материала конкретных обогревательных элементов (отопи­тельных батарей): чугун – 50, сталь – 58, цинк – 110, алюминий – 220, медь – 410. Поэтому, разумеется, лучше всего было бы приобрести полностью медные радиаторы, но по финансовым соображениям это решение так и не стало массовым.

Кроме того, стоит учитывать, что коэффициент теплопередачи конвекцией зависит от скорости перемешивания нагреваемого объема. В старых системах отопления нагретая в котелке вода поступает к батареям гравитационным путем – теплая вода поднимается вверх, холодная по «обратке» возвращается в котелок. Естественная конвекция неэффективна, поэтому в современных системах отопления обязательно применяется циркуляционная водяная помпа, которая в несколько раз увеличивает скорость подачи нагретой воды к батареям отопления. Воздух у самой поверхности радиатора нагревается и поднимается вверх, уступая 

Чугун

Конструкции из этого материала относятся к устаревшим системам отопления, имеют малую поверхность отдачи тепла и низкую теплопроводность металла, производят нагрев в основном излучением и около 20% тепла передают воздуху конвекцией. Распространенная отечественная секция чугунного радиатора МС‑140 имеет вес 7,5 кг, вмещает 4 л воды, имеет всего 0,23 кв. м площади нагрева. В каждой комнате стандартной квартиры надо иметь батарею по 8–10 чугунных секций или даже больше. На большом объекте вес всех чугунных батарей и воды в них измеряется тоннами, приходится применять трубы большого диаметра, которые невозможно спрятать в стены. Движение теплоносителя в системе происходит гравитационным путем, что сильно замедляет передачу тепла.

В действующих нормативно-технических документах подается мощность теплового излучения для чугунной секции МС‑140 в пределах 160–180 ватт при температуре теплоносителя +90 °C. Однако эта мощность излучения верна при идеальных (лабораторных) условиях, которые в реальной жизни недостижимы. Поскольку мощность излучения сильно зависит от температуры, то реальная теплоотдача чугунной секции при +60 °C будет не более 50 ватт. Поступление нагретой воды от котла в чугунную батарею происходит медленно, поэтому чтобы средняя температура всей батареи была +60 °C необходимо обеспечить подачу воды хотя бы с температурой +75 °C, в «обратку» пойдет вода с температурой около +45 °C. Несложно подсчитать, какой мощности должен быть котел, чтобы нагревать тонну воды до температуры +75 °C. Необходимо учитывать, что десяток градусов потеряется в толстых металлических подводящих трубах, поэтому котел должен выдавать 85–90 градусов и работать на пределе. Обеспечить температуру чугунной батареи +90 °C обычными котлами (не паровыми) невозможно, да и небезопасно. С целью увели­чить конвекционную отдачу тепла чугунными радиаторами, рекомендуют размещать их только под окнами, для того чтобы холодный воздух, опускающийся с поверхности стекол, принудительно проходил через радиатор. Поскольку чугунные радиаторы выглядят неэстетично, их прячут за декоративными экранами. Экраны полностью изолируют тепловое излучение внутри помещения, оставляя только слабый поток конвекционно обогреваемого воздуха. В результате чугунный радиатор интенсивно нагревает излучением стену, на которой он установлен, а стена этот нагрев передает наружному воздуху. Впрочем, в продаже появились отражающие экраны, которые приклеиваются к стене.

Алюминий

Секция алюминиевого радиатора имеют глубину всего 110 мм (чугунная 140 мм), водная емкость составляет около 0,5 литра, площадь нагрева 0,4 кв.м, а толщина стенки – это 2–3 мм. Алюминиевые секционные радиаторы около 50% тепла отдают излучением, остальное – конвекцией. Некоторые типы алюминиевых радиаторов имеют усовершенствованную конструкцию (в виде дополнительных тонких ребер, размещенных внутри секции), благодаря чему площадь нагрева одной секции возрастет до 0,5 кв. м. Тепловая мощность одной секции, согласно декларациям изготовителей, составляет до 160 ватт, реальная – не менее 110 ватт при температуре теплоносителя + 90 °C. Вес секций – менее 2 кг. Внешне алюминиевые секционные радиаторы выглядят достаточно эстетично, имеют небольшой вес, удобны для монтажа на поверхности стен. Благодаря уменьшенному объему воды в секциях алюминиевые радиаторы хорошо поддаются регулированию с помощью термозапорных клапанов и термочувствительных головок. Терморегулирующие элементы, которыми необходимо снабжать все алюминиевые радиаторы, позволяют ограничивать проток горячей воды через радиатор при достижении заданной температуры в комнате. Тепловая инерция алюминиевого радиатора невелика, поэтому термоклапан реагирует на изменение температуры в комнате буквально за 7–10 мин. – он открывает или закрывает доступ горячей воды в радиатор, в результате чего достигается экономия топлива до 30%.

Для сравнения, в чугунных радиаторах тепловая инерция составляет более одного часа, поэтому о регулировании теплоотдачи и экономии топлива говорить не приходится.

К сожалению, секционные алюминиевые радиаторы имеют недостатки, ограничивающие сферу их применения.

Во‑первых, они подвержены электрохимической коррозии. Дело в том, что некоторые материалы составляют так называемые электролитные пары – при их соединении в среде электролита возникает электрохимическая реакция, при которой один из пары металлов быстро разрушается. Алюминиевые сплавы слабо подвержены коррозии, но в паре с медью в жидкой недистиллированной среде (слабом электролите) разрушаются интенсивно – алюминий превращается в белый порошок. Если алюминиевый радиатор соединен с медными трубопроводами или с котлом, который имеет медный теплообменник (все современные настенные газовые и электрические котлы имеют такие устройства), то это может привести к быстрой электрокоррозии радиатора.

Во‑вторых, стенки алюминиевых радиаторов имеют малую толщину для лучшей теплопередачи, поэтому они недостаточно прочны и при неловком ударе о радиатор (например, углом мебели) секция может лопнуть. Часто повреждения происходят и при монтаже в результате превышения необходимого усилия при вкручивании ниппеля или клапана. При изготовлении радиаторов применяется литье под давлением, поэтому возможен и скрытый брак в виде внутренних раковин, который выявляется только в процессе эксплуатации.

В‑третьих, имеют место несколько «мелких» недостатков. Так, недостаточная водяная емкость радиаторов снижает эффективность регулирования температуры: около половины тепла передается излучением, что вызывает сильный нагрев стены, на которой установлен радиатор. При работе котла с полной мощностью температура на поверхности алюминиевого радиатора достигает + 80 °C, что небезопасно – это происходит положительная ионизация воздуха в помещении. Высокая температура поверхности алюминиевого радиатора сильно сушит воздух в помещении (влажность ниже 35% вызывает неприятные ощущения у находящихся в комнате людей).

Панельные стальные батареи

Речь идет о попытке совместить свойств секционных и конвекционных радиаторов. Такой прибор представляет собой две стальные пластины, между которыми циркулирует теплоноситель. Пластины имеют толщину 1,2 мм, они соединены между собой точечной электросваркой, содержат выштампованные каналы, по которым протекает нагретая вода. Панель имеет размер обычного чугунного радиатора, толщину – 30 мм, но вдвое меньшую теплоотдачу. Для повышения тепловой мощности ставят параллельно две, и даже три панели. При двух или трех панелях радиатор передает тепло излучением только внешними плоскостями, поэтому ко всем внутренним плоскостям радиатора приваривают ряды П‑образных пластин, которые значительно увеличивают поверхность теплоотдачи (внутренние плоскости работают как конвектор). Все эти модернизации не прошли бесследно для конструкции – вес трехпанельного стального радиатора с набором пластин отнюдь не меньше чугунной батареи того же размера, воды содержится тоже немало, что значительно снижает эффективность регулирования температуры, а общая толщина радиатора даже больше, чем у чугунного, и составляет около 160 мм. Тепловые характеристики несколько лучше, чем у чугунных радиаторов.

Тепловая мощность радиаторов в нормативных документах приводится для температуры поступающей воды + 90 °C. Но при таких объемах воды в системе обычный котел такой режим эксплуатации обеспечить просто не в состоянии. В технических материалах обязательно приводятся коэффициенты уменьшения тепловой мощности радиаторов при более низких температурах (например, при обычной температуре воды в системе 60 градусов мощность снижается в три (!) раза). Основной недостаток такой же, как и у алюминиевых радиаторов, – ускоренная коррозия. Отличие только в том, что этот отрицательный эффект еще более ярко выражен. Сталь разрушается в воде со скоростью, 0,1 мм в год даже при благоприятных условиях. Горячую воду центрального отопления к благоприятным условиям отнести трудно, поэтому стальные трубопроводы с толщиной стенки 3–4 мм не выдерживают более 30–40 лет. Пластины панельных радиаторов толщиной 1,2 мм даже теоретически эксплуатироваться больше 12 лет не способны. Дело усугубляется тем, что пластины сварены между собой точечной электросваркой, поэтому сталь в стыковых участках «отпускается», теряет все антикоррозийные свойства и разрушается гораздо быстрее.

К сожалению, в нашей стране ранее не были известны другие типы радиаторов, поэтому панельные системы на фоне чугунных батарей выглядели современно и получили широкое распространение. Этому в немалой степени способствовала агрессивная реклама фирм-экспортеров. Даже сейчас поставщики продолжают доказывать тезисы о хорошей антикоррозионной защите этих радиаторов. Они действительно хорошо покрашены снаружи, но гниют изнутри.

Конвекционные радиаторы

Эти тепловые приборы нацелены преимущественно на нагрев воздуха. Конвекционные радиаторы в нашей стране применялись с давних пор.

На некоторых предприятиях можно увидеть отопительное приспособление в виде трубы,

на которую рядами наварены ребра. Такие ребристые трубы устанавливали в цехах, на складах, в гаражах для нагрева воздуха в производственных помещениях. Ускорить теплоотдачу конвекцией можно двумя способами – увеличить скорость протока воздуха или увеличить температуру радиатора. Проще было увеличить температуру (об экономии тогда никто не думал), поэтому по трубам прогоняли перегретый пар (паровое отопление). Выпускались также конвекционные радиаторы «комфорт», которые состояли из металлических труб с приваренными вертикальными пластинами, радиаторы устанавливались в один или два этажа, иногда закрывались навесными жестяными кожухами. В конструкцию современных конвекционных водяных нагревателей заложено несколько удачных технических решений, защищенных патентами во многих странах.

В качестве материала радиатора выбрана медь (коэффициент теплопередачи – 410) и алюминий (220) – это самые теплопроводные из доступных материалов. Причем теплоноситель соприкасается только с медью, а алюминий служит для изготовления теплопроводящих пластин и корпуса радиатора. При использовании медных трубопроводов вся отопительная система будет состоять из одного самого стойкого к коррозии материала (теплообменник котла, трубопроводы, радиатор), что значительно увеличивает долговечность.

Вертикальные алюминиевые пластины соединены с горизонтальными медными трубками радиатора путем давления со взаимным прониканием верхних слоев металлов на молекулярном уровне (так называемая «диффузорная», или холодная, сварка). При этом площадь теплового контакта становится больше площади сечения самой пластины, чем достигается полная передача тепла между металлами с разной теплопроводностью.

Вертикальные алюминиевые пластины установлены с определенным шагом, который позволяет создать  ряды воздуховодов, создающих максимальную вертикальную тягу. Холодный воздух буквально втягивается снизу радиатора и выходит нагретым наверх. Расстояние между пластинами подобрано так, чтобы движение воздуха было не ламинарным (параллельными слоями), а турбулентным (с завихрениями), тогда он лучше прогревается даже при низкой температуре радиатора.

Вертикальные алюминиевые пластины имеют толщину 0,5 мм, которая подобрана совместно с шириной пластин и расстоянием между горизонтальными медными трубками таким образом, чтобы все равноудаленные точки плоскостей соприкосновения с воздухом имели одинаковую температуру, что позволяет интенсивно нагревать воздух по всей высоте его прохождения внутри радиатора.

Применение материалов различной теплопроводимости, а также распределение температур по плоскостям нагрева воздуха позволяет избежать локального перегрева воздуха и образования положительной ионизации, которая неблагоприятно сказывается на самочувствии человека. Даже при максимальной температуре теплоносителя + 90 °C воздух в радиаторе соприкасается только с небольшими участками горячих медных трубок общей площадью всего 3,5–4% от всей площади нагрева.

Теплоноситель в радиаторе поступает в медный вертикальный коллектор, затем распределяется по рядам горизонтальных медных трубок, этим достигается резкое снижение гидравлического сопротивления радиатора, что очень важно для скорости принудительного оборота теплоносителя в закрытых отопительных системах. Коллектор с соединен горизонтальными трубками с помощью тугоплавкого серебросодержащего припоя с температурой плавления 360 °C. Это позволяет использовать конвекторные радиаторы с любым теплоносителем (перегретым паром, трансформаторным маслом и др.) Вертикальные алюминиевые ламели заканчиваются на боковых поверхностях радиаторов загибами специальной формы, которые создают «чешуйчатые» боковые поверхности. Эта «чешуя» не только придает радиатору неплохой внешний вид, но, самое главное, создает очень прочную многослойную боковую поверхность. Алюминиевый радиатор из пластин толщиной всего 0,5 мм имеет вес менее 5 кг, но выдерживает давление до 180 кг. При сильном боковом ударе алюминиевые пластины принимают усилие на себя, деформируются и перераспределяют нагрузку по всей плоскости, не допуская разрыва внутри медных трубок. Поэтому даже сильные внешние повреждения радиатора не выводят его немедленно из строя и позволяют эксплуатировать его до замены.

В радиаторах данной конструкции содержится очень мало воды. Например, в радиаторе длиной 100 см и мощностью 2 кВт содержится теплоносителя всего 0,8 л. Это позволяет ему при его теплопроводности разогреваться в течении 2–3 мин. и реагировать на термозапорный клапан с запаздыванием всего 30 сек. Такой малой тепловой инерции нет нигде. При использовании этих радиаторов количество воды в системе уменьшается в десятки раз. Например, в большой квартире с радиаторами общей тепловой мощностью 20 кВт даже с учетом емкости трубопроводов и котла во всей системе будет 13–15 л. воды – всего полтора ведра! Ее и нагревать, и прогонять по системе намного легче, чем, например, тонну воды (чугунные радиаторы).

Очень легкосъемные крепления радиатора позволяют самостоятельно отключить его от системы и снять со стены для ее покраски или ремонта. Если радиаторы подсоединяются к трубопроводам через миниатюрные пробковые краны, то снимать их можно без спуска воды из системы и отключения отопления. Малый вес радиаторов и конструкция навесных креплений позволяет их монтировать даже на тонких гипсокартонных перегородках.

Радиаторы имеют корпус без острых углов, температура на поверхности в три раза ниже, чем внутри, что позволяет применять их в детских и лечебных учреждениях. При такой минимальной толщине и длине никакой другой тип радиаторов не имеет такой мощной теплоотдачи. При работе радиатор создает эффект воздушного теплового вентилятора и хорошо перемешивает слои воздуха в помещении. Конвекционный радиатор боковыми плоскостями излучает не более 10% своей мощности, остальное отдает конвекцией, поэтому он не будет бесполезно греть стену. Такой радиатор совсем не обязательно помещать под окном – его можно установить в любом удобном или подходящем по дизайну месте.

По материалам ООО «ТЕПЛОКОМ»