1 Противоток в теплообменном
аппарате
2 Прямоток
в теплообменном аппарате
3 Перекрестный
в теплообменном аппарате
4 Теплоотдача трубопровода или
воздуховода без утечки транспортируемой среды
5 Теплоотдача трубопровода c равномерной утечкой или
подсосом воздуха
6 Средний температурный напор в
отопительном приборе
7 Теплоотдача в вентилируемой
воздушной прослойке
8 Распределение упругости пара в
вентилируемой воздушной прослойке
9 Поступление тепла в помещение
через малоинерционное ограждение
10 Расчет змеевика теплого пола
11 Некорректность методики расчета
влажностного режима ограждения в ДБН В.2.6-31:2006 (Украина)
12 Подбор насосов в системе ГВС
РЕШЕНИЕ НЕКОТОРЫХ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ УРАВНЕНИЙ
ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ В ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТАХ И ТЕПЛООТДАЧИ ТРУБОПРОВОДОВ И
ВОЗДУХОВОДОВ

Qx dx = WdTx . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . (1.1)
Qx dx = wdtx . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . (1.2)
Qx = kF (Tx
– tx) . . .. . . . . . . . . . . .
. . . (1.3)
Из (1.1) и (1.2) следует
Tx’ = Qx/W . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . (1.4)
tx’ = Qx/w . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. (1.5)
Из (1.3) следует
Qx’ = kF (Tx’
– tx’) . . . ... . . . . . . . . . . . (1.6)
Из (1.4), (1.5) и
(1.6) следует дифференциальное
уравнение
dQx/Qx = -A dx
.
. . . . . . . . . . . . . . .
. (1.7)
где A = (1–w/W) kF/w. . . . . . . . . . . . (1.8)
Решением уравнения (1.7) является функция
Qx = Q0 exp(-Ax) . . . . . . . . . . . (1.9)
где Q0 = kF (T0 – t0) . . . . . . . . . . . . . . (1.10)
Проинтегрировав (1.9) от x=0 до x=1, получаем формулу для расчета передачи
тепла в теплообменнике
Q = Q0 [1-exp(-A)] /A . . . . . . . . . . .
. (1.11)
С другой стороны, для нагреваемой среды
Q = w (t1 – t0) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (1.12)
а для греющей среды
Q = W (T1 – T0) . . . . . . . . . . . . . . . . . (1.13)
Из (1.9) – (1.13) получаем
E =
(t1-t0)/(T1-t0) = [1- exp(-A)] / [1 – exp(-A) w/W] . . . . . (1.14)
Величина E называется степенью регенерации или эффективностью теплообменника. Предельный анализ формулы (1.14) приводит к формулам:
при w/W→1 E
= (kF/w) / (1+ kF/w) . . . . . . . . . .
. . (1.15)
при A→∞ E
= 1 . . . . .
. . . . . . . (1.16)
при A→-∞ E
=W/w . . . . . . . . . . . . (1.17)
при w/W→0 E
= 1–exp(-kF/w) . . . . . . . . (1.18)
Обозначение переменных:
W,w – водяной эквивалент (произведение теплоемкости на расход), Вт/С
T, t – температура, С
k - коэффициент теплопередачи, Вт/м2С
F – поверхность
теплообмена, м2

Qx dx = -WdTx . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(2.1)
Qx dx = wdtx . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . (2.2)
Qx = kF (Tx
– tx) . . . . .. . . . . . . . . .
. . . . (2.3)
Из (2.1) и (2.2) следует
Tx’ = - Qx/W . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (2.4)
tx’ = Qx/w . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . (2.5)
Из (2.3) следует
Qx’ = kF (Tx’
– tx’) . . . . . . . . . . . . . . . . . (2.6)
Из (2.4), (2.5) и
(2.6) следует дифференциальное
уравнение
dQx/Qx = -A dx
. . . . .
(2.7)
где A = (1+w/W) kF/w . . . . . . . . . . . . (2.8)
Решением уравнения (2.7) является функция
Qx = Q0 exp(-Ax) . .
. . . . . . . . . . . . . . (2.9)
где Q0 = kF
(T0 – t0) . .
. . . . . . . . . . . . (2.10)
Проинтегрировав (2.9) от x=0 до x=1, получаем формулу для расчета передачи
тепла в теплообменнике
Q = Q0 [1-exp(-A)] /A . . . . . . . . . . . . (2.11)
С другой стороны, для нагреваемой среды
Q = w (t1 – t0) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (2.12)
а для греющей среды
Q = W (T0– T1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . (2.13)
Из (2.9) – (2.13) получаем
E = (t1-t0)/(T0-t0)
= [1- exp(-A)] / (1+ w/W) . . . . . . . . . .
(2.14)
Предельный анализ формулы (2.14) приводит к формулам:
при A→∞ E = 1/(1+
w/W)
. . . . . . . . . . . . . (2.15)
при w/W→0 E = 1 – exp(-kF/w) .
. . . . . . . . . . . . . (2.16)

На участке dx→0 отношение водяного эквивалента нагреваемой среды wdx к водяному эквиваленту греющей средыW стремится к нулю. Так как и для противотока и для прямотока в этом случае формула для определения степени регенерации по нагреваемой среде одна и та же, то логично предположить, что эта же формула действует и для перекрестного тока, то есть
E
= 1 – exp(-kF/w) . . . . . . . . . .
. . . . . . (3.1)
Тогда для греющей среды
-dTx = (Tx – t) E wdx/W
. . . . . . . .
. . (3.2)
Обозначим P = Ew/W . . . . . . . . . . . . . (3.3)
Из (3.2) с учетом (3.3) следует дифференциальное уравнение
Tx’ + PTx = Pt . . . . . . . . . . . . . . . . .
. (3.4)
решением которого является функция
Tx = exp(-Px)
{ ∫ [Pt exp(Px) dx]+C} . . . . . . . . (3.5)
Из (3.5) следует Tx = t + C exp(-Px) . . . . . . . . . .
(3.6)
откуда С = T0 – t . . .
. . . . . . . . (3.7)
Из (3.6) с учетом (3.7) определяем температуру греющей среды на выходе из теплообменника
T1 = t + (T0 – t) exp(-P) . . . . . . . . . .
. . . . . (3.8)
Из (3.8) следует степень регенерации для греющей среды
ET = (T0 – T1)/(T0 – t) = 1 – exp(-P) . . . . . . . (3.9)
Тогда для степень регенерации нагреваемой среды
Eн = ET W/w = [1 – exp(-P)]W/w . . . . . . . . . (3.10)
Предельный анализ формулы (3.10) при W/w→0 приводит к формуле
Eн = W/w . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . .. . . . . . . . . . . (3.11)

Qx dx = -WdTx . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(4.1)
Qx = kF (Tx
– t) . . . . ..
. . . . . . . . . . . . . (4.2)
Из (4.1) следует
Qx = - WTx’ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (4.3)
Из (4.2) и (4.3) следует
dTx/(Tx - t) = - kF/W dx . . . . . . . . . (4.4)
Откуда степень регенерации для транспортируемой среды
E =
(T0 – T1)/(T0 – t) = 1 – exp(-kF/W) . . . . . . . (4.5)
и теплоотдача трубопровода
Q =
EW(T0 – t) = [1 – exp(-kF/W)]W(T0 –
t) . . . . . . . .
(4.6)
a
T0, W0 T1, W0-a
X=0 Наружная среда t X=1
Qx dx = -WxdTx . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . (5.1)
Wx = W0 – ax . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (5.2)
Qx dx = (ax – W0) dTx . . . .
. . .. . . . . . . . . (5.3)
Qx = kF (Tx – t) . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . (5.4)
Из (5.3) и (5.4) следует
dTx kF dx . . . . . . . . . (5.5)
Tx - t ax – W0
Решением уравнения (5.5) является функция
log(Tx – t) = (kF/a) log(ax – W0) + C . . . . . . . (5.6)
или
log(Tx
– t) = log[C (ax – W0) kF/a ] . . . .. . . . (5.7)
или
(Tx
– t) = C (ax – W0) kF/a . . . . . . . . . . . . . . . . .
. (5.8)
откуда С = (T0 – t)/ (– W0) kF/a . . . . . . . . . . . . (5.9)
Из (5.8)
и (5.9) следует
(T1 – t)/(T0 – t) = (1 – a/W0) kF/a .
. . . . . . . (5.10)
и степень регенерации транспортируемого воздуха
E = (T0 – T1)/(T0 – t) = 1 - (1 – a/W0) kF/a . . . . (5.11)
и теплоотдача воздуховода
Q = EW0(T0 – t) = [1 – (1 – a/W0) kF/a] W0(T0 – t) .
(5.12)
Модель теплопередачи от
отопительного прибора к воздуху помещения при значении коэффициента при
температурном напоре m=1
можно принять как в п.4 «Теплоотдача трубопровода без утечки транспортируемой среды». Из формулы
(4.6)
exp(-kF/W) = 1 – (T0 – T1)/(T0 – t) . . . . . (6.1)
kF/W = ln[(T0 – t)/(T1 – t)] . .. . . . . . . . . . . . . . (6.2)
Q = W (T0 – T1) . .. . . . . . . . . . . . . . (6.3)
Из (6.1) и (6.3) следует
Q = kF(T0 – T1)/ ln[(T0 – t)/(T1 –
t)] . . . (6.4)
С другой стороны
Q = kFTср . . . . . . . . (6.5)
Где Tср – средний температурный напор
Из (6.4) и (6.5) следует
Tср =
(T0 – T1)/ ln[(T0 – t)/(T1 – t)] . . . . . (6.6)
При значении коэффициента при температурном напоре m>1 вместо выражения (4.2) следует писать
Qx = kF (Tx – t)m . . . . .. . . . . . . .
. . . . . . (6.7)
и вместо выражения (4.4) следует писать
dTx/(Tx - t)m = - kF/W
dx . . . . . . . . . (6.8)
Решением уравнения (6.8) будет выражение
(T1 – t)(1-m) – (T0 – t)(1-m) = (m - 1)kF/W . . . . . . . (6.9)
Из (6.3) и (6.9) следует
Q = kF(T0 – T1)(m - 1)/[(T1 – t)(1-m) – (T0 – t)(1-m)] (6.10)
С другой стороны
Q = kFTсрm . . . . . . . . (6.11)
Из (6.10) и (6.11) следует
Tср = {(T0 – T1)(m - 1)/[(T1 – t)(1-m) – (T0 – t)(1-m)]}1/m . (6.12)
Проведем сравнительный анализ значения среднего температурного напора для T0=95C, t=12,5C, m=1.3 и различных значений T1 по трем формулам
· по принятой с странах СНГ методике Tср = (T0 + T1)/2 – t . . . (6.13)
· по формуле (6.6) для m=1;
· по формуле (6.12) для m=1.3.
|
T1 |
Ф-ла (6.13) |
Ф-ла (6.6) |
Ф-ла (6.12) |
|
70 |
70 |
69.25 |
69.14 |
|
60 |
65 |
63.40 |
63.16 |
|
50 |
60 |
57.07 |
56.63 |
|
40 |
55 |
50.06 |
49.32 |
|
30 |
50 |
41.92 |
40.07 |
|
20 |
45 |
31.28 |
29.18 |
|
13 |
41.5 |
16.06 |
12.07 |
Низкие значения температур теплоносителя
на выходе из отопительного прибора могут быть при наличии байпаса (замыкающего
участка) в однотрубном узле присоединения прибора к малонагруженному стояку.
При этом ошибки в определении поверхности теплообмена прибора по применяемой в
СНГ методике расчета среднего температурного напора (ф-ла
6.13) могут достигать 20% и выше. Кстати, принятая в Европе методика расчета
среднего температурного напора для выбора поверхности теплообмена отопительного
прибора допускает применение ф-лы (6.13) только в
случае (T1 – t)/(T0 – t)>0.7, в
противном случае следует применять ф-лу (6.6).
Воздух
в помещении tв
X=0 Наружный воздух tн X=1 (h,м)
Qx dx = -WdTx . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . (7.1)
Где W=CpG/3.6 Вт
Cp=1.005 кДж/кгС – удельная теплоемкость воздуха
G – расход,
кг/ч
Qx = F/Rн (Tx – tн) + F/Rв (Tx – tв) . . . . . . . . . . . . (7.2)
Где R – сопротивление теплопередаче, м2С/Вт
Из (7.1) следует
Qx = -
WTx’ . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
(7.3)
Из (7.2) и (7.3) следует
T’x = - F/RнW*(Tx-tн) - F/RвW*(Tx-tв)= - (F/RнW+ F/RвW )*Tx + F/RнW *tн) + F/RвW*tв . . .
(7.4)
иначе
T’x +ATx = B ……………………..
(7.5)
где
A = F/W*(1/Rн + 1/Rв)……….. (7.6)
B = F/W*(tн/Rн + tв/Rв)………. (7.7)
Решением уравнения 7.5 является функция
Tx = exp(-Ax) [∫ B exp(Ax) dx+C] . . . . . . . . (7.8)
Tx = exp(-Ax) [ B∫exp(Ax) dx+C]
. . . . . . . . (7.9)
Tx = B/A+C exp(-Ax) . . . . . . . . (7.10)
C = T0 –B/A . . . . . . . . (7.11)
)
Tx = B/A+ (T0 –B/A)
exp(-Ax) . . . . . . .
. (7.12)
где
A = F/W*(1/Rн + 1/Rв)……….. (7.13)
B/A = (tнRв + tвRн)/( Rв + Rн)………. (7.14)
Так как W берется на 1м в ширину, то F=h
T1 = M+(T0
– M) exp(-N) . . . . . . . . (7.15)
где
N = h(Rн+Rв)/WRнRв = h(kн+kв)/W ……….. (7.16)
M = (tнRв+tвRн)/( Rв+Rн)= (tнkн+tвkв)/(kн+kн) ………. (7.17)
Средняя температура в прослойке определяется интегрированием (7.12) от 0 до 1
Tср =M-(T0 – M)exp(-N)/N
. . . . . . . . (7.15)
Воздун
в помещении eв

X=0 Наружный воздух eн X=1 (h,м)
Dx dx = -GdSx . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . (8.1)
Dx = F/Rн (ex – eн) + F/Rв (ex – eв) . . . . . . . . . . . . (8.2)
где Sx – влагосодержание, мг/кг
G – расход воздуха в прослойке, кг/ч
Dx – удаление влаги из прослойки, мг/ч
R – сопротивление паропрницанию, м2.ч.Па/мг
e - упругость водяного пара, Па
Считаем, что давление пара в прослойке ничтожно мало по сравнению с атмосферным давлением. Тогда
Sx = 6.22 ex . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . (8.3)
Из формул 8.1 и 8.3 следует, что
Dx dx = -6.22Gdex . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . (8.4)
Таким образом, уравнение точно такое же, как и в гл.7, но W = 6.22G и
e1 = M+(e0 – M) exp(-N) . . . . . . . . (8.5)
где
N = h(Rн+Rв)/WRнRв ……….. (8.6)
M = (tнRв+tвRн)/( Rв+Rн)
………. (8.7)
αн*(tн-tпн)+Qср+ αв*(tв-tпв)=0 ………………………………. (1)
(tпн-tпв)/R= αв*(tпв-tв) ……………………………………….. (2)
Из (2)
tпн= αв*R*(tпв-tв)+tпв
………………………………………… (3)
Из (1) и (3)
αн*[tн- αв*R*(tпв-tв)-tпв]+Qср+ αв*(tв-tпв)=0 ………………… (4)
αн*tн-αв*αн*R*tпв+αв*αн*R*tв-αн*tпв+Qср+αв*tв-αв*tпв=0 ….. (5)
Из (5)
tпв=(αн*tн+αв*tв*(1+αн*R)+Qср)/(αн+αв*αн*R+αв) …………. (6)
Тепло, поступающее в помещение
Q=αв*(tпв-tв) …………………………………………………. (7)
Из (6) и (7)
Q=αв*[(αн*tн+αв*tв*(1+αн*R)+Qср)/(αн+αв*αн*R+αв)-tв] …. (8)
Q*(αн+αв*αн*R+αв)=αв*(αн*tн+αв*tв+ αв*αн*R*tв+Qср-αн*tв-αв*αн*R*tв-αвtв) (9)
Из (9)
Q*(αн+αв*αн*R+αв)=αв*[αн*(tн-tв)+Qср] …………………….(10)
Из (10)
Q=[αв*αн*(tн-tв)+αв*Qср]/(αн+αв*αн*R+αв)………………….
(11)
Из (11)
Q=[(tн-tв)+Qср/αн]/(1/αн+R+1/αв) ……………………….. (12)
Сопротивление теплопередаче
Rт=1/αн+R+1/αв ……………………………………………. (13)
Из (12) и (13)
Q=(tн-tв)/Rт+Qср/αн/(1/αн+R+1/αв) ….…………………… (14)
Поступление тепла теплопередачей
Qтп=(tн-tв)/Rт
……………………….….…………………… (15)
Из (14) и (15)
Q=Qтп+Qср/(1+αн*R+αн/αв)
…….……….…………………… (16)
В малоинерционном ограждении термическое сопротивление
R->0. Тогда из (16) следует, что поступление тепла от солнечной
радиации через такое ограждение
Qs=Qср/(1+αн/αв) …..…….……….…………………… (16)
а с учетом термического сопротивления из (14)
Qs=Qср/(αн*Rт)
…………………...…………………… (17)
Обозначение переменных:
tпз – температура пола на уровне трубы змеевика (в слое конструкции пола от верха трубы змеевика до низа трубы змеевика, толщина которого равна наружному диаметру трубы змеевика), °С
tпом – температура воздуха в помещении, °С
tпом' – температура воздуха в соседнем нижнем помещении, °С
t1 – расчетная температура воды на входе в змеевик, °С
t2 – температура воды на выходе из змеевика, °С
Rз - термическое сопротивление трубы змеевика без учета коэффициента теплоотдачи от стенки трубы к воде, м°С/Вт *1)
Rп - сопротивление теплопередаче пола от змеевика до воздуха в помещении, м2°С/Вт *2)
Rп' - сопротивление теплопередаче пола от змеевика до воздуха в соседнем нижнем помещении, м2°С/Вт *2)
Ri - термическое сопротивление i-го слоя конструкции пола от трубы змеевика до воздуха в помещении, м2°С/Вт *2)
Fп – площадь пола, м2
Lз – длина змеевика, м
αп – коэффициент теплоотдачи от поверхности пола к воздуху помещения, Вт/м2°С (в программе принято αп=11,3)
λз – коэффициент теплопроводности материала трубы змеевика, Вт/м°С
dн – наружный диаметр трубы змеевика, мм
dв – внутренний диаметр трубы змеевика, мм
g – расход воды в трубе змеевика, кг/ч
Основное допущение - слой конструкции пола толщиной в
диаметр трубы змеевика от верха трубы змеевика до её низа имеет бесконечно
большую теплопроводность. То есть, температура этого слоя tпз одна и та же по всему слою
Принято:
Rз=1/6.28/λз*log(dн/dв) ……… (10.1)
Rп=1/αп + ΣRi ……….…………. (10.2)
t2= tпз+exp(-x)*(t1-tпз) …..…... (10.3)
где x= Lз/Rз/g/1.16 ……………….(10.4)
Fп/Rп*( tпз-tпом)+Fп/Rп’*( tпз-tпом’) = g*(t1-t2)*1.16 ………. (10.5)
Из (10.5) с учетом (10.3)
определяем tпз
tпз=( t1*y+tпом/Rп+tпом’/Rп’)/(y+1/Rп+1/Rп’) ....... (10.6)
где y= g*(1–exp(-x)
)*1.16/ Fп ……………….(10.7)
Далее определяем плотность теплового потока в
помещение на уровне поверхности пола, Вт/м2
qпом = ( tпз-tпом) /Rп
………. (10.8)
и разность между температурой поверхности пола и
температурой воздуха в помещение, С
∆t = qпом/αп ………. (10.9)
Сравнительный анализ результатов расчета по описанной
выше методике и по методикам фирм Purmo, Wieland, Kan показывает, что расхождение не превышает 10%, что
приемлемо. По сравнению с методиками фирм Kitec и Rehau описанная выше методика дает тепловую мощность на 25%
меньше, что заставляет усомниться в правильности методик этих фирм, так как в
методике автора термическое сопротивление конструкции пола несколько занижено в
силу допущения 1 (см.выше).
Обозначение переменных:
eв – парциальное давление водяного пара воздуха помещения, Па
eн – парциальное давление водяного пара наружного воздуха, Па
eк – парциальное давление водяного пара в плоскости конденсации, Па
Rек – сопротивление паропроницанию от внутренней поверхности до плоскости конденсации, мг/(м.ч.Па)
RеΣ – сопротивление паропроницанию ограждения, мг/(м.ч.Па)
В формуле (23) ДБН для расчета количества конденсирующейся
влаги выделим первый сомножитель и покажем, что его значение тождественно равно
нулю.
(eв–eк)/Rек–(eк–eн) /(RеΣ–Rек) ………. (11.1)
Из формулы (17) ДБН для расчета распределения
парциального давления водяного пара по толщине конструкции ограждения следует
eк=eв–(eв–eн)Rек/RеΣ ……….................... (11.2)
Подставим (11.2) в (11.1)
(eв–eк)/Rек=(eв–eв+(eв–eн)Rек/RеΣ)/Rек=(eв–eн)/RеΣ ……….................... (11.3)
(eк–eн)/(RеΣ–Rек) =(eв–(eв–eн)Rек/RеΣ–eн)/( RеΣ-Rек)=(eв–eн)(1–Rек/RеΣ)/(RеΣ–Rек)=(eв–eн)/RеΣ ………....................
(11.4)
Так как значение выражения (11.3) тождественно равно
значению выражения (11.4), то значение выражения (11.1) тождественно равно
нулю, что и требовалось доказать.
Вывод: Количество конденсирующейся влаги в плоскости
конденсации по методике ДБН В.2.6-31:2006 всегда равно нулю, что в корне
неверно.