Воздухонагреватель один из основных элементов отопительно-вентиляционной техники, именно он является основой установок подогрева воздуха, подаваемого в обслуживаемое помещение. Если на ранней стадии развития отопительно-вентиляционной техники разработка воздухонагревателей осуществлялась для температурных и расходных условий, применительно к их использования для нагрева приточного вентиляционного воздуха до нормальной температуры 16-18 °C, то с бурным развитием техники, в последнее время, области использования воздухонагревателей резко расширились. Воздухонагреватели применяются просто для нагрева свежего приточного воздуха в вентиляционных установках, в системах воздушного отопления, в теплоутилизационных установках, в тепловых завесах и установках кондиционирования воздуха. Воздухонагреватель, по своей сути, — это воздухожидкостной теплообменник.

Разработчики теплообменников при конструировании особое внимание, как правило, уделяют достижению высоких удельных теплотехнических показателей, повышенной номинальной мощности и по субъективному учёту реальных потребностей потребителей.

Для определения конструкции воздухонагревателя надо знать количество воздуха, проходящего через воздухонагревательную установку, температуру воздуха на входе в установку, а также расход теплоносителя и его температуры на входе и выходе из теплообменника.

Воздухонагревательная установка может компоноваться как одним теплообменником, так и несколькими. Первый случай распространён в агрегатирован- ных установках, когда производитель вентиляционной установки выпускает агрегат уже оснащённый воздухонагревателем, который и подобран производителем по требованиям потребителя (проектировщика). Во втором случае: воздухонагревательную установку компонует сам проектировщик, и он сам должен выбрать модель, типоразмер, количество теплообменников, а также приемлемые аэро- и гидродинамические характеристики, необходимый запас поверхности нагрева и т.п.

Расчёт, подбор и анализ воздухонагревателей «онлайн» . 12/2015. Фото 1

Воздухонагреватели применяются просто для нагрева свежего приточного воздуха в вентиляционных установках, в системах воздушного отопления, в теплоутилизационных установках, в тепловых завесах и установках кондиционирования воздуха. Воздухонагреватель, по своей сути, это воздухожидкостной теплообменник

Источником теплоты для нагрева вентиляционного воздуха являются в основном системы теплоснабжения, отпускающие теплоту в течение года по определённым температурным графикам, учитывающих температуру наружного воздуха, но в тоже время и ограничивающих температуру возвращаемого потребителем обратного теплоносителя.

Помимо теплотехнического подбора калорифера, добросовестного проектировщика интересуют величина запаса поверхности теплообмена, величины скоростей воздуха и теплоносителя, аэро- и гидродинамические сопротивления, температура теплоносителя на выходе, отклонение температуры воздуха на выходе при изменении параметров теплоносителя, возможность размещения на располагаемых площадях и т.д.

Например, если запас поверхности несколько отличается от рекомендуемых значений, а исходные данные определены верно, то возникает профессиональный интерес: какая температура теплоносителя ожидается на выходе из воздухонагревателя? Или, наоборот, какой температуры теплоноситель необходимо обеспечить на входе в воздухонагреватель, чтобы на выходе получить теплоноситель исходной температуры?

Иногда представляется не лишним провести аналогичную проверку и по параметрам воздуха. Поскольку при конструировании воздухонагревателей особое внимание уделяется получению высоких теплотехнических показателей, а воздухонагреватели в установках применяются в системах вентиляции и кондиционирования не только для чисто вентиляционных целей, а для нагрева приточного наружного воздуха, то у проектировщика могут возникнуть и другого рода пожелания.

Всё это исключается при использовании агрегатированного оборудования, когда подбор подогревателя осуществляет производитель. Он не «чувствует» объект, не знает особенностей проектирования, и из-за отсутствия точных технических характеристик объекта такой подбор не представляется возможным.

В этом случае снижается ответственность проектировщика за соответствие подобранного оборудования тем моментам, которые могут возникнуть в условиях эксплуатации. Всё изложенное выше указывает на необходимость предоставить проектировщику возможность участвовать в оценке правомочности установки конкретного оборудования, выбранного производителем.

Расчёт, подбор и анализ воздухонагревателей «онлайн» . 12/2015. Фото 2

Оценивая оперативность проведения гидравлического расчёта трубопроводов систем отопления [1] и возможность влияния на выбор режима работы, на величину гидравлического сопротивления и т.п. Автору показалось целесообразным распространить опыт использования современного табличного редактора MS Excel для подбора и конструирования воздухонагревателей систем вентиляции (рис. 1 и 2).

Порядок теплотехнического расчёта воздухонагревателя, выбор его типоразмера и анализ работы при возможных отклонениях температурных условий работы от расчётных, проиллюстрируем на примере воздухонагревателей Костромского калориферного завода [2], выпускающего калориферы (водяных воздухонагревателей) порядка пяти модификаций и каждую модификацию не менее 14 типоразмеров. Определиться в этом многообразии, какие воздухонагреватели необходимо выбрать, сделав это по заводским рекомендациям, которые мало чем отличаются от приводимых в справочной и учебной литературе, затруднительно.

Весь процесс организации расчётов, подбора и анализа работы воздухонагревателей в MS Excel можно организовать на двух листах: на первом листе (рис. 1) располагается технические характеристики всех модификации и типоразмеров, выпускаемых заводом воздухонагревателей — эти данные заносятся для каждого изготовителя. Ячейки с техническими характеристиками и результатами расчётов, каждого воздухонагревателя, располагаются в одной строке. Этот лист должен быть защищённым и скрытым, что бы занесённые в него связи и данные не были случайно уничтожены или искажены. На рис. 1 защищённые от изменения ячейки отмечены серым фоном. В ячейках правее технических характеристик представлены ячейки с результатами расчётов промежуточных и окончательных физических величин, определяющих теплотехнический процесс работы.

Ячейки с техническими характеристиками и результатами расчётов располагаются в одной строке.

При желании учесть модели и типоразмеры других изготовителей необходимо скопировать строки уже используемых типоразмеров и внести изменения в содержимое скопированных ячеек (представляющих собой технические данные) на аналогичные данные воздухонагревателей нового изготовителя.

Расчёт, подбор и анализ воздухонагревателей «онлайн» . 12/2015. Фото 3

На рис. 2 представлен основной лист. Именно он является рабочим. Сюда заносятся исходные данные, для которых производится подбор воздухонагревателя, здесь определяются допустимые при расчёте ограничения на физические параметры воздухонагревателя. К их числу, в первую очередь, следует отнести: запас поверхности нагрева, массовая скорость воздуха, скорость теплоносителя. При желании можно организовать учёт ограничений и других физических параметров. В примере статьи ограничения внесены только на три параметра, приведённых выше. На рис. 3 показано в увеличенном масштабе занесение в таблицу исходных данных. В таблице заполняются ячейки, выделенные жёлтым цветом. Как только это будет выполнено, автоматически заполнятся все ячейки данного листа, фрагмент которого представлен на рис. 6.

Отметим, что это будут результаты подбора единичного теплообменника. Идеальный случай — когда в столбцах «удовлетворение ограничениям» (для изображённого случая) появятся три «ДА». Это теплообменник КСк3-9 для данного выбранного случая запас поверхности нагрева 7 %, массовая скорость 6,11 кг/(м2-с), скорость теплоносителя 1,56 м/с, то есть все данные лежат в пределах принятых нами ограничений. Здесь в силу иллюстративных особенностей мы рассматриваем только модели теплообменника КСк... 02ХЛ3Б, но найти теплообменник, удовлетворяющий нашим ограничениям, возможно и в других моделях, выпускаемых заводом и представленных на рис. 2. Так, по величине процентного запаса поверхности теплообмена из всего многообразия теплообменников, выпускаемых заводом, к применению могут быть рекомендованы восемь воздухонагревателей (КСк3-9 02ХЛ3Б, КСк4-7 02ХЛ3Б, КСк3-10 50АУ3, КСк4-7 50АУ3, ВНВ 113-404 01У3, ВНВ 123-403 01УТ3, ВНВ 123-310 50АТ3, ВНВ 123-407 50АТ3.) Подчёркнутые типоразмеры удовлетворяют всем указанным нами ограничений: по запасу поверхности нагрева, по массовой скорости воздуха, по скорости теплоносителя.

Иногда воздухонагревательную установку необходимо скомпоновать из нескольких теплообменников. В этом случае необходимо определиться с конструктивной схемой установки: сколько теплообменников установлено параллельно, сколько последовательно — как по воздуху, так и по теплоносителю

Допустим, что теплообменники, удовлетворяющие всем требованиям, по каким-то причинам нам не подходит. Тогда, анализируя в таблице результаты расчётов, допуская некоторое отступление от предела ограничения массовой скорости к установке, можно принять теплообменник КСк4-7 (из теплообменников, перечисленных выше). Он будет меньше по фронтальным размером, но несколько толще по ходу воздуха. Не исключено, что при рассмотрении всех типов и моделей, выпускаемых заводом теплообменников и представленных на рис. 2, могут оказаться пригодными и другие воздухонагреватели.

Здесь следует подчеркнуть, что при данном способе расчёта теплообменников в таблице на рис. 6 приведены все физические величины, обусловливающие теплопередачу, проектировщик может вполне осознано осуществить окончательный выбор теплообменника.

Расчёт, подбор и анализ воздухонагревателей «онлайн» . 12/2015. Фото 4

Выбрав таким образом модификацию и типоразмер теплообменника, который не удовлетворяет всем ограничениям, проектировщик может проанализировать, какие температуры теплоносителя будут, если рассчитанная поверхность теплообмена близка к истинной. Для этого обращаемся к таблице на рис. 7. В строке, выбранного теплообменника, в ячейках жёлтого цвета устанавливаем одну из температур T1 или T2 постоянной, а другую — изменяем и подбираем, пока в столбце «Проценты» не будет величина близкая к нулю. В зависимости от желаемой точности и опыта этот процесс потребует двух или трёх попыток.

Иногда воздухонагревательную установку необходимо скомпоновать из нескольких теплообменников. В этом случае необходимо определиться с конструктивной схемой установки: сколько теплообменников установлено параллельно, сколько последовательно — как по воздуху, так и по теплоносителю. Эти данные отражаются в строке одиночного теплообменника, в жёлтых ячейках таблицы рис. 5 «Схемы соединения теплообменников», пользуясь при этом рекомендациями, приведёнными на рис. 4.

Отметим, что ячейки таблицы на рис. 5 в начале расчёта теплообменников должны содержать всегда параметр «1», так как первоначально расчёт производится на один теплообменник, а уже потом, когда выяснится, что ни один теплообменник не подходит, следует выбирать схему компоновки воздухонагревательной установки. При любой схеме методически выбор установки ничем не отличается от изложенного для одиночного теплообменника.

При компоновке воздухонагревательной установки из нескольких теплообменников следует иметь ввиду, что изменение скорости теплоносителя в два раза сказывается на коэффициенте теплопередачи всего лишь на 10 %.

Здесь рассмотрены варианты подбора воздухонагревателей при трёх ограничениях, но не представляет трудностей увеличить ограничения, например, на величины аэродинамического и гидравлического сопротивления. Каждый более менее подходящий вариант может быть скопирован на листе «Исходные данные», и составлен общий список теплообменников, которые могут быть применены в проектируемой установке.

Анализируя данные расчётов для всех выпускаемых заводом теплообменников, выбор теплообменника можно осуществить осознано, а не формально:

1. По величине процентных параметров можно судить, стоит ли устанавливать один или два теплообменника, и при этом примерно оценить целесообразность той или другой модели КСк или ВНВ. Какие для этой цели целесообразны типоразмеры — у которых процент запаса поверхности теплообмена имеет отрицательную величину или меньше минимально ограниченной.

2. Выбор воздухонагревателей с большим запасом поверхности теплообмена влечёт за собой понижение температуры теплоносителя на выходе, уменьшение расхода и скорости теплоносителя. Выбор теплообменника с заниженной величиной поверхности теплообмена оказывает противоположное влияние (увеличиваются температура теплоносителя на выходе, повышается его скорость).

3. В случае, если нельзя подобрать теплообменник с запасом в допустимых пределах, то можно определить температурный диапазон теплоносителя, в которых будет работать воздухонагревательная установка, и тем самым оценить степень возможного замерзания, а также требуемую конструктивную схему воздухонагревательной установки.

Расчёт, подбор и анализ воздухонагревателей «онлайн» . 12/2015. Фото 5

Следует отметить, что выбор воздухонагревателя с большим запасом поверхности теплообмена влечёт за собой понижение температуры теплоносителя на выходе, уменьшение расхода и скорости теплоносителя. Выбор теплообменника с заниженной величиной поверхности теплообмена оказывает противоположное влияние

Таким образом, на примере расчёта, подбора и анализа работы воздухонагревательной установки «онлайн» проиллюстрированы особенности проведения расчёта и целесообразность рационализировать свою проектно-расчётную работу применением элементарных расчётов в MS Excel.

Аничхин А.Г. Проектирование отопительных систем в MS Excel // Журнал С.О.К., №3/2011. Рекомендации по подбору калориферов и воздухонагревателей. — Кострома: ОАО «Калориферный завод», 2002.