Расчет калорифера: как рассчитать мощность прибора для нагрева воздуха для отопления

Калориферы имеют высокую производительность, поэтому с их помощью обогреть даже очень большие помещения можно за довольно короткое время. В продажу поступает много моделей этих приборов, работающих на основе разных теплоносителей.

Чтобы выбрать оптимальный вариант, нужен расчет калорифера, выполнить который можно как вручную, так и воспользовавшись онлайн-калькулятором. С вопросом расчетов мы поможем вам разобраться — в этой статье приведем пример вычислений, которые понадобятся при выборе подходящего прибора для нагрева воздуха.

А также рассмотрим особенности конструкции различных видов калориферов, преимущества и недостатки системы отопления с использованием таких приборов.

Плюсы и минусы отопления с калорифером

Система обогрева дома, основывающаяся на подаче прогретого до установленной температуры воздуха непосредственно в дом, представляет особый интерес для владельцев собственного жилья.

Такая конструкция отопительной системы состоит из следующих важных узлов:

• калорифера, выступающего в роли теплогенератора, подогревающего воздух;
• каналов (воздуховодов), по которым поступают нагретые воздушные массы в дом;
• вентилятор, направляющий хорошо прогретый воздух по всему объему помещения.

Преимуществ у системы такого типа много. К ним относится и высокий КПД, и отсутствие вспомогательных элементов для теплообмена в виде радиаторов, труб, и возможность объединить ее с климатической системой, и малая инерционность, в результате чего прогрев больших объемов происходит очень быстро.

Для многих домовладельцев недостатком является то, что монтаж системы возможен только одновременно со строительством самого дома и затем дальнейшая модернизация ее невозможна.

Минусом является и такой нюанс, как обязательное наличие резервного питания и потребность в регулярном техническом обслуживании.

Калорифер прост в монтаже и эксплуатации, доступен по цене, но главное, он является эффективным прибором для обогрева помещения. На фото водяной калорифер, вмонтированный в систему

У нас на сайте есть более подробные материалы по устройству воздушного отопления в доме и коттедже. Рекомендуем вам ознакомиться с ними:

• Воздушное отопление своими руками: все про воздушные системы отопления
• Как устроить воздушное отопление загородного дома: правила и схемы сооружения
• Расчет воздушного отопления: основные принципы + пример расчета

Классификация калориферов

Калориферы включают в конструкцию системы отопления для нагрева воздуха. Существуют следующие группы этих приборов по виду используемого теплоносителя: водяные, электрические, паровые, огневые.

Электрические приборы имеет смысл использовать для помещений площадью не более 100 м². Для зданий с большими площадями более рациональным выбором будут калориферы водяные, которые функционируют только при наличии источника тепла.

Наиболее популярны паровые и водяные калориферы. Как первые, так и вторые по форме поверхности делятся на 2 подвида: ребристые и гладкотрубные. Ребристые калориферы по геометрии ребер бывают пластинчатыми и спирально-навивными.

Производительность калориферов, работающих на таком теплоносителе как пар, регулируют при помощи специальных клапанов, установленных на входной трубе

По конструкционному исполнению эти приборы могут быть одноходовыми, когда теплоноситель в них совершает движение по трубкам, придерживаясь постоянного направления и многоходовыми, в крышках которых имеются перегородки, вследствие чего направление движение теплоносителя постоянно меняется.

В продажу поступают 4 модели калориферов водяных и паровых, отличающиеся площадью поверхности нагрева:

• СМ — самая малая с одним рядом труб;
• М — малая с двумя рядами труб;
• С — средняя с трубами в 3 ряда;
• Б — большая, имеющая 4 ряда труб.

Водяные калориферы в процессе эксплуатации выдерживают большие температурные колебания — 70-110⁰. Для хорошей работы калорифера этого типа вода, циркулирующая в системе должна быть нагретой максимум до 180⁰. В теплое время года калорифер может выполнять роль вентилятора.

Конструкция калориферов разных видов

Отопительный водяной калорифер состоит из корпуса, выполненного из металла, размещенного в нем теплообменника в виде ряда трубок и вентилятора. На торце агрегата имеются входные патрубки, через которые его подключают к котлу или централизованной системе отопления.

Как правило, вентилятор находится в тыльной части прибора. Его задача — прогонять воздух через теплообменник.

После нагрева, через решетку, находящуюся на фасадной части калорифера, воздух обратно поступает в комнату.

Чаще всего корпус изготавливают в форме прямоугольника, но есть модели, предназначенные для вентиляционных каналов круглого сечения. На подводящей магистрали устанавливают двух- или 3-ходовые вентили для регулировки мощности агрегата.

Вентилятор обдувает трубки, расположенные в корпусе калорифера. По трубкам движется нагретая вода из системы отопления, а вентилятор распределяет равномерно теплый воздух по комнате

Различаются калориферы и по способу монтажа — они бывают потолочными и настенными. Модели первого типа размещают за фальшпотолком, за его пределы выглядывает только решетка. Настенные приборы более популярны.

Вид #1 — калориферы гладкотрубные

Гладкотрубную конструкцию составляют нагревательные элементы в виде полых тонких трубок диаметром от 20 до 32 мм, расположенные на расстоянии 0,5 см по отношению друг к другу. По ним циркулирует теплоноситель. Воздух, омывая нагретые поверхности трубок, нагревается благодаря конвективному обмену теплом.

Трубки в воздухонагревателе располагают в шахматном или коридорном порядке. Их концы вварены в коллекторы — верхний и нижний. Теплоноситель поступает в распределительную коробку через входной патрубок, затем, пройдя по трубкам и нагрев их, выходит через выходной патрубок в виде конденсата или охлажденной воды.

Более стабильную передачу тепла обеспечивают приборы с шахматным расположением трубок, но сопротивляемость воздушным потокам здесь выше. Нужно обязательно выполнять расчет мощности агрегата, чтобы знать реальные возможности устройства.

К воздуху предъявляют определенные требования — не должно быть волокон, взвешенных частиц, липких субстанций. Допустимая запыленность — меньше чем 0,5 мг/мᶾ. Температура на входе —минимум 20⁰.

Одноходовой и 3-ходовой калориферы. 1 – входной патрубок, через который поступает теплоноситель, 2 – распредкоробка, 3 – трубка, 4 – выходной патрубок, 5 – перегородка

Теплотехнические характеристики гладкотрубных калориферов не очень высокие. Их применение целесообразно, когда не требуется значительного расхода воздуха и его нагрева до высокой температуры.

Вид #2 — ребристые воздухонагреватели

Трубы ребристых приборов обладают оребренной поверхностью, следовательно, теплоотдача от них больше. При меньшем количестве труб теплотехнические характеристики у них выше, чем у гладкотрубных воздухонагревателей.

В состав пластинчатых калориферов входят трубки с насаженными на них пластинами — прямоугольными или круглыми.

Первый вид пластин насаживают на группу труб. Теплоноситель проходит в распределительную коробку прибора через штуцер, прогревает воздух, проходящий со значительной скоростью через каналы небольшого диаметра, а после этого из сборной коробки выходит через штуцер.

Калориферы этого вида компактны, удобны в обслуживании и монтаже.

Одноходовые пластинчатые приборы обозначают: КФБ, КФС, КВБ, СТД3009В, КЗПП, К4ПП, а многоходовые — КВБ, К4ВП, КЗВП, КВС, КМС, СТДЗОЮГ, КМБ. Средняя модель имеет обозначение КФС, а большая — КФБ.

На трубки этих калориферов навивают стальную гофрированную ленту шириной 1 см и толщиной 0,4 мм. Теплоносителем для них может быть как пар, так и вода.

Водяные калориферы нельзя подключать металлопластиковыми или полимерными трубами т.к. они не рассчитаны на высокую температуру теплоносителя. Нужны стальные трубы и лучше оцинкованные, чтобы исключить коррозию

Первая оснащена тремя рядами трубок, а вторая четырьмя. Пластинки средней модели имеют толщину 0,5 мм и размеры 11,7х 13,6 см. Пластины большой модели такой же толщины и ширины отличаются большей длиной — 17,5 см.

Пластины находятся на расстоянии друг от друга 0,5 см и имеют зигзагообразное расположение, тогда как у моделей среднего вида пластины расположены по коридорному принципу.

Воздухонагреватели с маркировкой СТД имеют 5 номеров (5, 7, 8, 9, 14). В калориферах СТД4009В теплоносителем является пар, а в СТД3010Г – вода. Монтаж первых выполняют с вертикальной ориентацией трубок, вторых — с горизонтальной.

Вид #3 — биметаллические калориферы с оребрением

В системах отопления с подогревом воздуха часто применяют модели биметаллических калориферов КП3-СК, КП4-СК, КСк – 3 и 4 с особым видом оребрения — спирально-накатным. Теплоносителем для калориферов КП3-СК, КП4-СК является горячая вода с наибольшим давлением 1,2 МПа и максимальной температурой 180⁰.

Для работы двух других воздухонагревателей необходим пар с таким же рабочим давлением, как и для первых, но с несколько большей температурой — 190⁰. Производители обязательно проводят приемо-сдаточные испытания. Тестируют приборы и на герметичность.

Теплообменник калорифера КСК состоит из трубок, выполненных из стали и имеющих алюминиевые ребра. Соединяют их трубные решетки

Существует 2 линейки биметаллических калориферов — КСК3, КПЗ, имеющие 3 ряда трубок, относятся к средним, а КСК4, КП4 с 4 рядами трубок — к большим моделям. Составляющими этих приборов являются биметаллические теплообменные элементы, боковые щитки, решетки из трубок, крышки с перегородками.

Теплообменный элемент представляет собой 2 трубки — внутренней диаметром 1,6 см, изготовленной из стали и насаженной на нее алюминиевой наружной с оребрением. Поперечный интервал между теплопередающими трубками 4,15 см, а продольный — 3,6 см.

Правила расчетов и подбора подходящего агрегата

В проектировании системы обогрева с одним или группой калориферов, а также в выполнении расчетов следует соблюдать ряд правил. Рассмотрим их детальнее в фотоподборке ниже.

Расчет водяного калорифера

Для расчета мощности водяного или парового калорифера нужны следующие исходные параметры:

1. Производительность системы или другими словами — количество воздуха, перегоняемого за час. Единица измерения объемного расхода — мᶾ/ч., массового кг/ч. Условное обозначение — L.
2. Исходная или наружная температура — tул.
3. Конечная температура воздуха — tкон.
4. Плотность и теплоемкость воздуха при определенной температуре — данные берут из таблиц.

Сначала вычисляют площадь сечения по фронту воздухонагревательного устройства. Узнав эту величину, получают предварительные размеры агрегата с запасом.

Для расчета используют формулу:

Аф = Lρ / 3600 (ϑρ),

Где L — объемный расход воздуха или производительность в м³/ч, ρ — плотность воздуха снаружи измеряемая в кг/м³ ϑρ – массовая скорость воздуха в рассчитываемом сечении, измеряется в кг/(см²).

Получив этот параметр, для дальнейших вычислений берут типовой размер калорифера, ближайший по размерам. При большом итоговом значении площади, устанавливают параллельно несколько одинаковых агрегатов, площадь которых в сумме равна полученному значению.

Калориферами называют не только устройства для теплообмена, но и воздухоохладители, работающие на основе холодной воды, которые пользуются намного меньшей популярностью

Для определения необходимой мощности для нагрева какого-то конкретного объема воздуха нужно узнать общий расход подогреваемого воздуха в кг за 1 час по формуле:

G = L х р,

Где р — плотность воздуха в условиях средней температуры. Ее определяют, суммируя температуры на входе и выходе из агрегата, затем делят на 2. Показатели плотности берут из таблицы.

Из этой таблицы можно взять данные по плотности и удельной теплоемкости воздуха при определенной температуре для расчета мощности прибора

Теперь можно вычислить расход тепла для прогрева воздуха для чего применяют следующую формулу:

Q (Вт) = G х c х (t кон. — t нач.),

Где G — массовый расход воздуха в кг/час. Учитывают при расчете и удельную теплоемкость воздуха измеряемую в Дж/(кг х K). Зависит она от температуры входящего воздуха, а ее значения есть в таблице выше. Температура на входе в прибор и на выходе из него обозначается t нач. и t кон. соответственно.

Допустим, надо подобрать калорифер производительностью 10 000 мᶾ/час, чтобы он нагревал воздух до 20⁰ при температуре снаружи -30⁰. Теплоносителем является вода, имеющая температуру на входе в агрегат 95⁰ и 50⁰ на выходе.

Массовый расход воздушной массы: G = 10 000 мᶾ/ч. х 1,318 кг/мᶾ = 13 180 кг/ч.

Значение плотности: ρ = (-30 + 20) = -10, при делении этого результата пополам получили -5. Из таблицы выбрали, соответствующую средней температуре, плотность.

Подставив полученный результат в формулу, получают расход тепла: Q = 13 180 /3600 х 1013 х 20 – (-30) = 185 435 Вт. Здесь 1013 — это удельная теплоемкость, выбранная из таблицы при температуре — 30⁰ в Дж/(кг х K). К расчетной величине мощности калорифера добавляют от 10 до 15% запаса.

Причина в том, что табличные параметры часто отличаются от реальных в сторону уменьшения, а тепловая производительность агрегата, из-за засорения трубок, снижается со временем. Превышение величины запаса нежелательно.

При значительном увеличении поверхности нагрева может произойти переохлаждение, и даже размораживание в большие морозы.

В паровой калорифер теплоноситель подводят сверху, а воду, получившуюся в результате конденсации отработанного пара, отводят снизу. На фото — схема обвязки парового калорифера

Мощность паровых калориферов рассчитывают таким же способом, как и водяных. Отличается только формула расчета теплоносителя:

G = Q / r,

Где r — удельная теплота, которая выделяется во время конденсации пара, измеряемая в кДж/кг.

Расчет электрического калорифера

Производители в каталогах электрических калориферов часто указывают установленную мощность и расход воздуха, что значительно упрощает выбор. Главное, чтобы параметры не были меньшими, чем указанные в паспорте иначе он быстро выйдет со строя.

В конструкцию калорифера входят несколько специальных электрических нагревательных элементов, площадь которых увеличена за счет напрессовки на них оребрения.

Мощность приборов может быть очень большой, иногда это сотни киловатт. До 3,5 кВт калорифер может питаться от розетки 220 В, а при напряжении выше этого необходимо подключение отельным кабелем прямо к щитку. Если есть необходимость в использовании калорифера мощностью выше 7 кВт, потребуется питание 380 В.

Эти приборы имеют небольшие габариты и вес, они полностью автономны, для них необязательно присутствие централизованного горячего водоснабжения или пара.

Существенный минус — низкая мощность недостаточная для применения их на больших площадях. Второй недостаток — большое потребление электроэнергии.

Из расчета калорифера следует, что результатом использования прибора является ощутимая экономия энергетических ресурсов. Иногда этот агрегат совмещают с рекуператором и тогда забор воздуха происходит не снаружи, а с помещения

Чтобы узнать какой ток потребляет калорифер можно воспользоваться формулой:

I = P /U,

Где P — мощность, U — напряжение питания.

При однофазном подключении калорифера U принимают равным 220 В. При 3-фазном — 660 В.

Температуру, до которой калорифер определенной мощности нагревает воздушную массу, определяют по формуле:

T =2.98 x P/ L,

Где L  — производительность системы. Оптимальные значения мощности калорифера для дома от 1 до 5 кВт, а для офисов — от 5 до 50 кВт.

Выводы и полезное видео по теме

Какую плотность воздуха брать при расчете, рассказано в этом видео:

Видео о том, как работает калорифер в системе отопления:

Выбирая определенный вид калорифера, следует исходить из соображений целесообразности и эксплуатационных характеристик дома.

Для небольших площадей удачным приобретением будет электрический калорифер, а для отопления большого дома лучше подобрать другой вариант. В любом случая не обойтись без предварительного расчета.

Хорошо ориентируетесь в вопросе выбора и расчета калорифера? Возможно хотите поделиться полезными рекомендациями по выбору воздухонагревателя или указать на ошибку или неточность в расчетах в рассмотренном выше материале? Оставляйте свой комментарий под этой статьей — ваше мнение может быть полезным людям, которые выбирают подходящий калорифер для своего дома.