Однотрубная система отопления частного: Однотрубная система отопления ленинградка: схемы устройства

Опубликовано в Разное
/
26 Июн 2021

Содержание

 Однотрубная система отопления частного дома своими рукой системы отопления

Однотрубная система отопления существует как альтернатива двухтрубной. Имея сопоставимую эффективность, разводка теплоносителя по единственной трубе является более экономичным вариантом, поскольку появляется возможность экономии на трубах и фитингах. Для самостоятельного расчета и сборки подобного отопления следует тщательно изучить принципы действия и способы монтажа его составных элементов.

Особенности однотрубной системы отопления

Однотрубная система отопления фактически представляет собой замкнутое кольцо труб, по которым циркулирует теплоноситель. Помимо собственно труб, в отопительной магистрали присутствуют два основных элемента: котел и радиаторы отопления. Кроме того, в систему включается коллектор, запорно-регулирующая арматура, группа безопасности, расширительный бак и т.п. вспомогательное оборудование.

Нагретая котлом вода поступает в магистраль и подается на первый радиатор отопления. Выйдя из него, вода по магистрали подается на второй радиатор отопления и т.д. из последнего радиатора теплоноситель по обратной трубе возвращается в котел и цикл повторяется.

Поскольку в каждом из радиаторов за счет интенсивного теплообмена происходит понижение температуры теплоносителя, нагрев последнего радиатора будет минимальным, тогда как первый радиатор может иметь ту температуру, на которую выставлен котел.

Данный момент является главной особенностью однотрубных систем. При альтернативной двухтрубной схеме теплоноситель почти без потери температуры распределяется по подающей трубе, от которой через ответвления происходит забор воды на радиаторы. Поэтому температура каждого из радиаторов будет почти одинаковой. Появление некоторой разницы возможно лишь при большой длине магистрали.

Решить проблему недостаточного нагрева последнего радиатора в кольце однотрубной системы можно тремя способами:

  1. Повысить температуру нагрева воды. Этот способ наиболее прост в реализации, однако на практике применяется крайне редко по причине увеличения расходов на энергоносители. Кроме того, может возникнуть проблема перегрева первых радиаторов в системе.
  2. Увеличить тепловую мощность оконечных отопительных приборов
    . Достигается это увеличением количества секций, что влечет за собой ощутимое удорожание всей конструкции.
  3. Включение в систему циркуляционного насоса. При интенсивном кругообороте теплоносителя он не успевает полностью отдавать энергию в первых радиаторах и подается горячим даже на последние теплообменники. Данный способ наиболее распространен, т.к. небольшие затраты на циркуляционный насос полностью окупаются возможностью не увеличивать интенсивность работы котла и обойтись без мощных радиаторов в последних по кольцу теплообменниках.

Однотрубная схема отопления обладает следующими преимуществами

перед альтернативными схемами:

  • значительное сокращение расхода труб и комплектующих, что намного уменьшает стоимость всей сборки;
  • возможность подключать отопительные приборы как последовательно, так и параллельно;
  • можно направить теплоноситель таким образом, чтобы сначала он поступал в помещения с наибольшими теплопотерями.

Вместе с тем, однотрубным вариантам присущи и некоторые недостатки:

  • длительный прогрев всего объема теплоносителя после холодного запуска;
  • если дом имеет два или более этажа, то отопительную систему будет довольно сложно сбалансировать. Верхние этажи всегда будут прогреваться эффективнее, чем нижние.
  • при необходимости ремонта одного участка придется выключать всю систему.

Виды

Основной признак, по которому могут различаться однотрубные варианты отопления, это схема циркуляции теплоносителя.

Вертикальная схема

Ее особенностью является применение вертикальных стояков и возможность установки в многоэтажных домах. При этом теплообменники отопления подключаются последовательно, начиная с верхнего этажа. Кроме того, наличие вертикального стояка позволяет организовать самотечную сборку, не требующую применения циркуляционного насоса.

Теплоноситель здесь будет приходить в движение, стекая под воздействием гравитации по имеющим некоторый наклон горизонтальным участкам труб. Кроме того, теплоноситель дополнительно будет двигать сила, возникающая в вертикальных стояках за счет разности в плотности теплоносителя с разной температурой.

Горизонтальная

 

Применяется лишь в одноэтажных домах. Может быть как самотечной, так и с принудительной циркуляцией. Все радиаторы отопления в горизонтальных системах подключаются параллельно. Возможно создание схем с несколькими петлями, подключаемыми через коллектор.

Кроме того, существует вариант однотрубного отопления, в котором теплоноситель проходит не только через радиатор, но и параллельно через трубу небольшого диаметра.

Это позволяет создавать более длинные петли за счет более эффективного распределения тепла по всей длине отопительной магистрали. Называется такая схема «ленинградка».

Способы подключения радиаторов

Большинство моделей радиаторных сборок позволяют выполнить подключение двумя из конструктивно предусмотренных точек: вверху и внизу по бокам радиатора.

Существует несколько основных типов подключения:

  • диагональный, когда подающая труба включается в верхний вход на одной стороне обогревателя, а отводящая – в нижний с противоположной стороны. Это наиболее эффективный способ;
  • боковой, при котором теплоноситель подается и выводится через пару отверстий, находящихся с одной стороны теплообменника;
  • нижний, когда вода поступает и в выводится из радиатора через нижнюю пару отверстий;
  • одноточечное подключение. Применяется лишь в крайних случаях, когда нет возможности развести к радиатору вторую трубу. Для такого подключения специальные инжекторные узлы подключения, в которых заходящие в отверстие радиатора патрубки имеют различную длину.

Технология монтажа

Последовательность действий при сборке однотрубной системы разделяется на несколько этапов:

    • установка котла. В зависимости от его типа и конструкции, установка может производиться либо на стену, либо на пол. В любом случае, должны быть соблюдены все правила пожарной безопасности;

    • монтаж группы безопасности, состоящей из предохранительного клапана, воздухоотводчика и манометра. Предохранительный клапан обеспечивает сброс теплоносителя при повышении его давления в системы выше установленной нормы. Воздухоотводчик в автоматическом режиме удаляет из магистрали отопления воздух. Манометр отображает фактическое давление в трубах. Устанавливать группу безопасности следует сразу же после котла. Устанавливать отсекающие краны между котлом и группой безопасности категорически запрещено;

    • сборка трубопровода. Для самотечной однотрубной схемы после котла группы безопасности должна следовать вертикальная колонна из труб большего диаметра, чем в основной магистрали. Горизонтальная часть магистрали должна иметь непрерывный уклон в несколько градусов. Трубы могут быть либо целиком металлическими, либо металлопластиковыми, либо армированными полипропиленовыми;

    • в определенных проектом местах монтируются радиаторы. Чаще всего для этого применяются крепежные кронштейны, закрепляемые на стене. При диагональном подключении имеет смысл организовать уклон в один-два градуса в сторону слива. Неиспользуемые отверстия закрываются заглушками, в одно из них устанавливается кран-маевского для сгона воздушных пробок;

    • к выходу последнего в кольце подключается труба обратки, подаваемая на вход котла;

    • в обратку через тройник врезается расширительный бак. Его емкость подбирается в зависимости от вида объема циркулирующего теплоносителя. Для воды следует выбирать модели баков емкостью порядка 10% от залитого в трубы объема. Для незамерзайки бак должен иметь емкость 20-25% от используемого объема;

  • при необходимости на обратку циркуляционный насос. Мощность насоса выбирается индивидуально, исходя из объема и особенностей имеющейся сборки. Использовать насосы с избыточной мощностью не рекомендуется, поскольку это не улучшит работу отопления, но приведет к его завоздушиванию и появлению шума;
  • через тройник в самой нижней части трубы-обратки подсоединяется сгон с краном для слива теплоносителя.

Технология системы

Характерные особенности однотрубных систем вытекают из их кольцевой схемы и последовательного прохождения теплоносителя через радиаторы. Прежде всего, это неизбежный факт, что температура последнего обогревателя и обратки всегда будет намного ниже, чем в радиаторе первом.

Прочие особенности наиболее явно проявляются в самотечных конструкциях.

  1. Расширительный бак должен устанавливаться не на обратке, а в самой верхней точке вертикальной колонны после котла. При этом бак может быть открытого типа.
  2. Входное отверстие котла должно располагаться как можно ниже. В идеале – ниже уровня пола.
  3. Вся магистраль после вертикальной колонны должна иметь непрерывный уклон. Возвышающийся участок трубопровода может остановит работу системы из-за скапливающегося воздуха и нарушения стока воды под действием гравитации.

Поэтому еще на этапе планирования следует учесть все эти особенности.

Отзывы

В сети можно встретить множество отзывов об опыте эксплуатации однотрубных систем отопления. Вот наиболее характерные из них:

Надежда, Нижний Новгород

Используем такой систему несколько лет. Привлекает возможность самостоятельно регулировать температуру. Из неудобств лишь то, что при сильных морозах из открытого расширительного бака начинает испаряться вода. Поэтому периодически приходится ее подливать.

Роман, Пенза

Система не вызывает никаких проблем ходе эксплуатации. Использую тосол в качестве теплоносителя. Чтобы в случае возможного ремонта не пришлось его сливать целиком, радиаторы подключил на «американки» и поставил краны.

Однотрубное отопление: видео

В данном ролике можно представлен процесс сборки однотрубного отопления в коттедже

Как следует из отзывов и самой сути работы системы отопления по однотрубной схеме, подобное решение может стать неплохим вариантом для небольшого дома.

Минимальный расход материала, возможность отказа от энергозависимых циркуляционных насосов и при этом хорошая тепловая эффективность, все это делает однотрубное отопление очень привлекательным для владельцев загородной недвижимости.


Мы подобрали для Вас ещё восемь полезных статей, смотрите далее.

схема с нижней разводкой и принудительной циркуляцией

Поскольку однотрубная система отопления частного дома продолжает оставаться популярной в рамках своей сферы применения, то заслуживает того, чтобы уделить ей внимание. В данном материале будут рассмотрены особенности таких систем, их позитивные и негативные стороны, а также даны рекомендации по проведению монтажных работ.

Принцип работы однотрубной системы

Как явствует из названия, в данной схеме роль подающей и обратной магистрали исполняет одна и та же труба. К ней присоединяются обе подводки от каждого отопительного прибора, установленного один за другим.

Труба прокладывается от источника тепла и возвращается к нему, образуя кольцевой контур. Система функционирует следующим образом: нагреваемая в котле вода сразу же идет вверх по вертикальной трубе, создавая таким способом давление в сети.

При использовании однотрубной системы водяного отопления в двухэтажном доме теплоноситель из вертикальной трубы расходится по контурам. В одноэтажных домах этот стояк снова опускается до уровня пола, образуя так называемый разгонный коллектор. Только после этого труба идет горизонтально по периметру здания, где к ней подключаются батареи, а затем возвращается обратно в котел. Особенностями такой системы является:

  • проходное сечение магистральной трубы неизменно на всем ее протяжении;
  • в каждый последующий отопительный прибор поступает вода с более низкой температурой, чем в предыдущий. Причина понятна – остывший теплоноситель из первой батареи подмешивается в общий коллектор, снижая температуру проходящей в нем воды;
  • эта особенность проистекает из предыдущей. Для увеличения теплоотдачи каждый последующий прибор должен иметь большую мощность, то есть, количество секций надо наращивать от батареи к батарее.

Примечание. Если отопление загородного дома в один этаж продумано грамотно, а расположение комнат – удачно, то число секций радиаторов увеличивать не придется. Например, когда подача проходит сначала через спальню и детскую, потом по гостиной и дальше – на кухню и другие хозяйственные помещения. Фокус в том, что теплопотребление каждой последующей комнаты уменьшается.

В большинстве случаев для движения теплоносителя по сети трубопроводов в частном доме применяется принудительное побуждение, то бишь, ставится циркуляционный насос. Тогда система работает стабильно и более эффективно, хотя организация естественной циркуляции также возможна. Тут и сыграет свою роль вертикальный разгонный коллектор, чья высота выдерживается не менее 2м от пола. Не следует забывать и о том, что для нормальной работы самотека нужно установить атмосферный расширительный бак выше самой высокой точки системы, в идеале – на чердаке дома.

На представленном выше рисунке показано, как выглядит однотрубная система отопления с естественной циркуляцией в одноэтажном доме. Расширительная емкость, сообщающаяся с атмосферой, устанавливается под самым потолком (если позволяет высота) или в чердачном пространстве и подсоединяется к разгонному коллектору. Но подобные схемы работают не слишком хорошо, так как разница температур в подающем и обратном трубопроводе невелика. Чтобы создать хорошую циркуляцию, в схему устанавливается насос, как на рисунке ниже:

Теперь расширительный бак можно взять мембранного типа, поскольку системе больше не требуется связь с атмосферой, избыточное давление в ней создает циркуляционный насос. Тем не менее наличие разгонного коллектора необходимо, здесь у него есть дополнительная функция. Она заключается в поддержании уровня теплоносителя в радиаторах по принципу сообщающихся сосудов. Ну и, конечно, способствует лучшей циркуляции воды.

Примечание. Когда производится монтаж однотрубной системы отопления в двухэтажном доме, то делать разгонный коллектор не нужно, там будет достаточно высоты самого стояка, идущего на второй этаж.

Виды систем

Однотрубные системы бывают вертикальные и горизонтальные с нижней разводкой. Первые используются в двухэтажных домах, тогда приборы отопления располагаются друг над другом (некоторое смещение допускается) и объединяются однотрубным стояком, как изображено на рисунке:

Строго говоря, эта схема – не совсем однотрубная, а скорее комбинированная, поскольку разделение на подающую и обратную магистраль здесь четко прослеживается. На практике подобные системы также отлично работают с естественной циркуляцией, без насоса, хотя на рисунке он есть. Горизонтальная схема однотрубной системы отопления с нижней разводкой часто встречается в одноэтажных домах небольшой площади. Там подобные системы ведут себя отлично и вполне устраивают домовладельцев.

Что касается подключения батарей, то в данном случае есть выбор из 3 способов. В знаменитой «ленинградке» принято разностороннее нижнее присоединение, оно нравится пользователям по той причине, что подводки к радиаторам практически не видны и не нарушают интерьер комнаты.

Зато с технической точки зрения присоединение снизу уменьшает теплоотдачу батареи, ее верхние углы плохо прогреваются. Правильнее всего делать подводки с разных сторон, но по диагонали, как продемонстрировано на схеме.

Диагональная схема подключения радиаторов к однотрубной системе – это оптимальный вариант, прибор прогревается равномерно и хорошо отдает тепло в помещение. Распределение теплоты внутри батареи при разных способах подключения можно изучить на рисунках:

Преимущества и недостатки однотрубной системы

Достоинство, благодаря которому система столь популярна, — это ее дешевизна и простота. Особенно это касается горизонтальной схемы с нижней разводкой, здесь расход материалов совсем небольшой, а труба везде одинаковых размеров, кроме подводок к радиаторам. Дороже обойдется вертикальная система, поскольку в ней есть отдельные подающие и обратные трубопроводы.

Ввиду того что сейчас на рынке есть большой выбор радиаторных термостатических клапанов, однотрубная система обрела второе дыхание – возможность регулирования расхода теплоносителя на каждой батарее. Но это в свою очередь ведет к удорожанию материалов. Это и все позитивные стороны, а теперь о негативных:

  • снижение температуры воды на каждой батарее, особенно этим страдает нижняя однотрубная разводка;
  • для нормальной работы системе нужен циркуляционный насос, а это зависимость от электричества;
  • малоэффективна в зданиях большой площади и этажности.

Напрашивается вывод, что рассматриваемая система хороша в пределах своей сферы применения, использовать ее повсеместно – нерационально.

Рекомендации по монтажу

Помимо общих правил монтажа отопительного оборудования и тепловых сетей, при сборке однотрубных систем своими руками надо учитывать ее особенности. Отсюда несколько рекомендаций по теме:

  • предварительно произведите корректный расчет диаметров труб, в особенности для самотечной схемы;
  • хорошо продумайте прокладку ветвей или стояков, чтобы первые не пересекали дверные проемы, а вторые не попадали на окна;
  • подключение радиаторов при искусственной циркуляции выполняйте трубой DN15, а для естественной – DN20;
  • соблюдайте уклоны. Для гравитационной системы – не менее 5 мм на 1 м, напорной – 3 мм;
  • высота разгонного коллектора должна быть 2.2 м;
  • расширительный бак на неотапливаемом чердаке надо утеплить, а трубу перелива вывести на улицу;
  • если теплообменник котла сделан из чугуна, не врезайте подпитку холодной водой непосредственно на обратке около теплогенератора;

не нагружайте одно кольцо отопительного контура большим количеством батарей, иначе самые последние будут холодными.

Заключение

Рассмотренная нами однотрубная горизонтальная система отопления привлекает многих своей стоимостью и кажущейся простотой монтажа. Но ее сложность в другом: надо заранее все тщательно продумать и просчитать. В этом отношении двухтрубная схема проще и дает больше прав на ошибку, а здесь ошибаться нельзя. Так что от нас любимый совет – проконсультируйтесь со специалистом.

🔧 Однотрубная система отопления частного дома: нюансы, материалы, монтаж

Настало время задуматься на тему отопления частного дома. Однотрубная система – это самый распространённый вариант, который успешно эксплуатируется в большинстве загородных домовладений. Как она устроена, какие материалы потребуются для её монтажа, и о каких нюансах стоит помнить – в этом обзоре от редакции HouseChief.

Однотрубная система отопления – самая простая и эффективная , проверенная временем и опытом
ФОТО: techno-comf.ru

Читайте в статье

В общих чертах: как устроена однотрубная система отопления частного дома

Причина популярности такой системы – надёжность и экономичность в эксплуатации. Причём однотрубный принцип заставляет теплоноситель постоянно циркулировать по помещениям дома. Этим теплоносителем может быть обычная вода, воздух, пар или антифриз.

Чаще всего в таких системах встречается именно вода – дешёвый и надёжный теплоноситель, объём которого можно без проблем пополнять при необходимости
ФОТО: realwire.com

Принцип работы однотрубного отопления заключается физическом свойстве воды расширяться при нагревании, а также на естественной гравитации, заставляющей жидкость двигаться сверху вниз. Всё это позволяет горячей воде путешествовать по системе, нагревая радиаторы, а потом остывшая влага возвращается к котлу, и весь процесс повторяется снова.

 Из каких конструкционных элементов состоит такая система

Отопление частного дома, вне зависимости от его архитектурных особенностей и площади, состоит из следующих элементов:

  • из котла – источника тепловой энергии. Котёл может работать на разных видах топлива: от дров до электричества;
  • из радиаторов – обычных батарей или водяных контуров под полом;
  • из насоса или разгонного участка, в зависимости от принципа циркуляции теплоносителя – естественной или принудительной;
  • из труб и узлов соединения, обеспечивающих циркуляцию теплоносителя по помещениям.

Два вида однотрубной системы: как выбрать

Есть два вида отопительного механизма: открытый и закрытый.

Открытый и закрытый вариант предполагает использование расширительного бака для компенсации чрезмерного давления, вызванного расширением теплоносителя при нагреве.

В открытой системе бак устанавливается в наивысшей точке магистрали сразу за котлом
ФОТО: openstroi.ru

При избыточном давлении излишки воды сливаются в канализационную систему. Обычно такие баки в загородных домовладениях ставят на чердаках или мансардах. Для облегчения обслуживания такой ёмкости, её снабжают клапаном-поплавком, который регулирует уровень жидкости.

У открытой системы есть свои недостатки, о которых необходимо обязательно помнить: бак требуется постоянно пополнять, трубы и приборы при таком режиме эксплуатации быстрее ржавеют. В этом варианте нельзя использовать антифриз в качестве теплоносителя.

С другой стороны, вам не нужно будет беспокоиться об опасности разрыва труб из-за высокого давления. Даже при небольших неполадках такая система будет продолжать работать, давая вам возможность выбрать подходящее время для ремонта.

Закрытая система тоже использует расширительный бак, но его конструкция и место расположения совсем иные.

В этом варианте бак герметичен, а его конструкция включает внутреннюю мембрану, которая регулирует давление.  При аварийном повышении давления бачок стравливает лишний воздух
ФОТО: glavsantex.ru

Расположить такой бак можно не только в верхней точке, но, в принципе, в любом месте, что очень удобно для обслуживания. Чаще всего владельцы выбирают точку в нижней части магистрали перед котлом.

Такая система практически не требует вашего внимания, нет необходимости периодически подливать воду.

Какой тип циркуляции выбрать

И снова выбор стоит между двумя вариантами: принудительной и естественной циркуляцией.

Естественная циркуляция будет работать при любых обстоятельствах, в том числе при отключении электричества. Это примитивная схема, в которой движение теплоносителя обеспечивает разгонный участок магистрали, расположенный под наклоном в верхней части.

Горячая вода поднимается от котла вверх и под влиянием гравитации устремляется к радиаторами, расположенным внизу магистрали
ФОТО: greypey.ru

Если в доме верхняя разводка к радиаторам, то достаточно просто плавного поворота трубопровода, а при горизонтальной разводке дополнительно устанавливается разгонный коллектор, имеющий высоту не меньше полутора метров от первой батареи.

К сведению! Диаметр труб в разгонном участке должен быть больше, чтобы обеспечить успешную работу естественной циркуляции.

Важно отметить, что для такого типа циркуляции важно правильно подобрать сечение трубопровода для магистрали и количество радиаторов. Также придётся отказаться от части запорных механизмов, что может усложнить ремонтные работы.

Принудительная система даёт возможность использовать тонкие  аккуратные трубы и произвольное количество радиаторов со сложной схемой разводки
ФОТО: greypey.ru

Её главный недостаток – энергозависимость. Насос можно поставить в любом месте трубопровода, поэтому, если не хотите слушать постоянный шум – выбирайте подвал или пристройку. При таком решении, каждый радиатор можно оснастить системой регулирования, контролируя температуру в каждом помещении по отдельности даже в двухэтажном доме.

О достоинствах и недостатках однотрубной отопительной системы

Главная причина популярности однотрубного отопления кроется в том, что для её монтажа нет необходимости привлекать профессионалов. Установить такой контур в состоянии сами владельцы жилья, тем более, что современные приборы и трубы можно соединить и без сварочных работ, используя герметичные фитинги.

Сама по себе однотрубная система гидравлически устойчива, имеет легко заменяемые детали и требует минимального количества коммуникаций, что не портит интерьер
ФОТО: narodna-pravda.ua

Такой механизм позволяет быстро и эффективно прогревать помещения, а также использовать минимальное количество теплоносителя.

С помощью запорных элементов однотрубную систему можно отрегулировать под собственный режим для каждой из комнат дома.

Этот тип отопления без проблем подключается к приборам контроля умного дома.

Главным недостатком однотрубного механизма является неравномерный прогрев радиаторов
ФОТО: pbs.twimg.com

Чем дальше радиатор от котла – тем меньше тепла он получает. Так что такие системы лучше работают в домах с небольшой жилой площадью. Чтобы компенсировать этот недостаток, в удалённых комнатах устанавливают большее количество радиаторов и стараются расположить контур так, чтобы первым на очереди движения теплоносителя были помещения, в которых особенно важен температурный режим, например, детская комната и спальня.

Некоторые нюансы проектирования однотрубного контура

Проектирование отопления требует учитывать все особенности дома, включая количество этажей, площадь и расположение комнат. Чем меньше дом – тем проще подготовить эффективную схему. Небольшим дачным домикам достаточно пары-тройки радиаторов и самотёчного контура.

Для больших домов проще продумать контур с принудительной циркуляцией
ФОТО: termoresurs.ru

Подключение радиаторов к контуру может быть нижним, боковым или диагональным. Самым эффективным считается диагональное подключение, обеспечивающее минимальные потери тепловой энергии.

Вариант бокового подключения гарантирует равномерный прогрев всего радиатора. При таком соединении подводящий и отводящий патрубки находятся с одной стороны радиатора.

Нижнее подключение не так распространено, как первые два. Оно оправдано в том случае, если есть необходимость спрятать трубы под полом. Но нужно помнить, что такая схема – самая неэффективная
ФОТО: santehnika-nk.ru

Как подобрать оборудование для однотрубной системы

Важно правильно подобрать материалы и оборудование для создания эффективного контура.

Котёл

Котёл подбирают по мощности, она должна быть достаточной для обогрева всех помещений дома, но не чрезмерной, иначе расходы будут неоправданными.

Тип котла зависит о того, какое топливо более доступно для использования
ФОТО: modernsys.com.ua

Мощность котла можно рассчитать калькулятором ниже. Он учитывает много дополнительных параметров, например, материал стен, количество дверных и оконных проёмов и тому подобное. Но если вы хотите произвести предварительный расчёт, то возьмите за основу простую формулу, по которой на обогрев одного квадратного метра жилого помещения необходимо 100 Вт тепловой энергии.

Калькулятор расчета необходимой тепловой мощности котла

Однотрубная система отопления с нижней разводкой

На чтение 9 мин.

Перед началом монтажа системы отопления в малоэтажном частном доме (от одного до двух этажей) необходимо знать, что существует несколько вариантов схем её обустройства.

Основными факторами для выбора наиболее приемлемого варианта являются доступный тип топлива и стоимость, заложенная в проект. Помимо этого учитываются конструктивные особенности здания: наличие подвала и чердака, площадь помещений, материалы из которых изготовлено здание и перегородки, наличие отдельного помещения для котла.

При составлении грамотного проекта, так же учитывающего особенности местного климата и теплопотери, отопительная система будет эффективной и служить долгое время.

Одна из самых используемых схем отопления — это однотрубная система отопления с нижней разводкой. Её характерная особенность в том, что основной трубопровод проложен в подвальном помещении или на цокольном этаже

Схема однотрубной и двухтрубной системы отопления.

Иногда возможна прокладка трубы под полом. Теплоноситель в данном случае идёт снизу от котла наверх в приборы нагрева (радиаторы). Смесь газов, возникшая при сгорании топлива, удаляется через специальный воздуховод, соединённый с общим стояком. Чтобы предотвратить аварии стояк подачи и обратный стояк оборудованы особыми кранами для выключения.

Однотрубная система отопления с нижней разводкой является противоположностью схемы с верхней разводкой, в которой специальный расширительный бак вмонтирован на самой высокой точке трубы отопления. Там же происходит разветвление всей сети.

Однотрубная система отопления частного дома.

Наиболее оптимальным вариантом для частных домов будет схема с одним центральным трубопроводом отопления.

В нём теплоноситель непрерывно циркулирует по магистрали от котла до отопительных приборов, отдавая тепловую энергию и тем самым нагревая помещения. В качестве источника тепла может выступать воздух, пар, вода, либо антифриз. Наиболее часто используется водяная система отопления.

В большинстве случаях стандартное отопление основано на следующих физических законах: тепловом расширении жидкости за счёт нагрева в котле, конвекционных силах гравитации.

После нагревания теплоносителя происходит его расширение и соответственно возрастает давление в трубе. Становясь более лёгким он направляется вверх и под воздействием давления, гравитации и конвекции, распространяется по трубам в отопительные приборы. Из за этой особенности труба из котла всегда направленна строго вверх.

После передачи тепла радиаторам охлаждённый теплоноситель устремляется обратно в котёл и цикл повторяется.

Исходя из вышесказанного однотрубная система отопления частного дома — это собой замкнутый маршрут течения теплоносителя.

Однотрубная система отопления частного дома с принудительной циркуляцией

Радиаторы здесь подсоединяются последовательно друг за другом. Однотрубные системы отопления бывают двух видов: с принудительной циркуляцией и естественной. Но тем не менее практически все их элементы аналогичны:

  • Котёл, который бывает нескольких видов: на твёрдом топливе, электрический, на газе. Служит в качестве источника создания тепла.
  • Оборудование, осуществляющее теплоотдачу: радиаторы,

Однотрубная система отопления: варианты устройства, способы подключения

Содержание статьи:

Водяная система отопления однотрубного типа применяется для обогрева частных и муниципальных домов и квартир. Ее выбирают домовладельцы, стремящиеся смонтировать схему, которая не требует крупных вложений. Это более выгодный вариант по сравнению с другими типами разводок, например, коллекторной или двухтрубной. При выборе такой системы полезно заранее ознакомиться с принципом ее работы, преимуществами и недостатками, вариантами устройства и способами подключения.

Принцип работы

В однотрубной системе температура в последнем радиаторе всегда будет невысокая, а помещение холодным

Каждая водяная система работает по принципу теплового обмена между циркулирующим по контуру теплоносителем и воздухом, который содержится в обогреваемом помещении. Подача воды к батареям осуществляется в зависимости от планировки комнаты, где они установлены. Вода подается при помощи лежаков в горизонтальном трубопроводе магистрального типа или вертикальных стояков. Типы разводки системы реализуются с учетом того, каким способом носитель тепла проходит по контуру, и делятся на два вида:

  • гравитационный, когда теплоноситель двигается самотеком;
  • с циркуляцией по принудительному типу.

Для стабильной работы любой системы необходимо, чтобы диаметр раздающей трубы превышал размер подводок радиатора. Это правило не распространяется на вертикальные стояки с верхним розливом, в которых носитель тепла течет вниз под силой тяжести.

Отличие однотрубной и двухтрубной системы

Однотрубная система отопления функционирует при помощи агрегатов, соединенных единственной трубой. Теплоноситель в ней должен подводиться последовательно к каждому прибору. В двухтрубной схеме присутствует две трубы, предназначенные для подачи и обратного слива, в таком случае теплоноситель идет к батареям по трубе и отходит к отопительному котлу при помощи обратного выхода. Основное отличие однотрубной разводки в том, что радиаторы подсоединяются к единой распределяющей магистрали.

Плюсы и минусы однотрубной системы

Однотрубная система больше подходит для маленьких домов с небольшой площадью отопления

Однотрубная система отопления для любой квартиры или частного дома прогревается быстрее, если сравнить ее с двухтрубной. При соблюдении правил монтажа система будет хорошо сбалансирована, прогревание комнат начнет осуществляться равномерно. Эту схему выбирают за эстетичный внешний вид, поскольку для разводки необходима только единственная труба. В дополнение к основным преимуществам при разводке однотрубного типа можно подключать кран к батарее, что позволит снимать его без необходимости отключать всю отопительную систему. Схему этого типа целесообразно ставить в маленьких частных домах, это более экономичный вариант в отличие от двухтрубного способа.

Из минусов схемы с единственной трубой отмечают сложности с регулировкой температурного режима в помещениях. Для этой цели нужно использовать термоклапаны из полипропилена либо радиаторные регуляторы. Помимо регулировки нужно создавать сильное давление и устанавливать мощные насосы с емкостями для расширения в максимальной точке схемы. Если дом двухэтажный, носитель тепла должен идти сверху. В больших домах иногда требуется увеличивать число секций в батареях, за счет чего приходится увеличивать их длину и тратить дополнительные силы на размещение.

Способы установки

Однотрубное отопление в частном доме может быть открытого или закрытого типа, вертикальным или горизонтальным, с нижней или верхней разводкой, естественной или искусственной циркуляцией теплоносителя.

Системы с натуральной и принудительной циркуляцией

Естественная циркуляция, при которой бак находится в верхней точке помещения, создавая давление, насоса нет

Система с натуральной циркуляцией считается самой распространенной. Раньше однотрубное стандартное отопление этого типа устанавливали во всех одноэтажных строениях, в том числе с печным отоплением. Ее план включает бак с расширением, находящийся под потолком, в который идет вода из котла. Затем она самотеком поступает в газовые или автоматические радиаторы по трубам.

Сейчас в большинстве многоэтажных и частных домов устанавливаются автоматические котлы с циркуляционными насосами встроенного типа.

Если нужно установить котел со сложной автоматизацией, насос для него ставят отдельно, чтобы избежать перегрева, когда топливо разгорается до предельных температур. Схемы с принудительной циркуляцией дают возможность реализовывать проекты повышенной сложности, они часто используются для монтажа и подключения теплых полов. Принудительная циркуляция актуальна для многоэтажных домов либо домов с мансардными строениями.

Открытая или закрытая система отопления

Бак в открытой системе сообщается с воздухом, нужно доливать воды по мере испарения

В открытых системах, получивших большое распространение, уровень воды внутри бака увеличивается после перегрева и понижается при охлаждении. Они дополнены баками с патрубками для сбрасывания избытка пара и атмосферного давления. Автоматизированные приборы, работающие на газе, пеллетах или мазуте, дополнены компактными расширительными емкостями, которые компенсируют минимальное расширение давления.

Поскольку само давление будет зависеть от температуры, при отсутствии неисправностей котел самостоятельно отключается, давление в нем падает. Если котел работает на торфяном топливе, угле либо дровах, процесс горения в нем нельзя прекратить быстро, что может спровоцировать перегрев воды.

Проект открытой или закрытой системы должен обязательно включать расширительный бак, полипропиленовый насос, клапан для выброса пара и схему для автоматической подпитки водой. Для твердотопливных котлов чаще используют закрытые системы.

Горизонтальная и вертикальная схема

Вертикальная система предназначена для многоэтажных строений

Выбор варианта для однотрубной схемы одноконтурного вида полностью зависит от типа строения, количества этажей в здании и других факторов. Для небольших домов идеальным вариантом считается горизонтальная разводка труб необходимого диаметра. В зданиях с площадью больше 60 кв.м. и с числом комнат более трех рекомендуется применять горизонтальную схему, если речь идет о строении с одним этажом, и вертикальную для двухэтажного здания. Во втором случае разводка устанавливается на втором этаже, затем протягивается с верхнего на нижний, после подводится к котлу.

Вертикальная схема в однотрубной системе для обогрева в основном применяется в многоэтажных зданиях, где вода идет на чердак либо на верхний этаж и выливается вниз по раздельным стоякам, после проходит сквозь радиаторы. Такая схема называется ленинградской.

При горизонтальном подключении трубы расположены по горизонтали, а приборы отопления подключаются друг за другом. Этот способ актуален для одноэтажных строений, поскольку доставляет гораздо меньше сложностей.

Варианты подсоединения радиатора к магистрали

Для подсоединения батарей к магистрали используют различные варианты и схемы. От способа зависит эффективность подачи теплового носителя, поэтому так важно выбрать наиболее подходящий.

Диагональное

Диагональное подключение считают самым эффективным, эту схему используют производители, когда тестируют приборы для отопления. Другие варианты отдают тепло хуже. Также диагональный способ достаточно универсален, что позволяет применять его как в однотрубной, так и в двухтрубной схеме.

Боковое

Если сравнивать с диагональным, при наличии бокового подключения эффективность нагрева будет незначительно ниже, примерно на 2%, если в батарее не больше 10 секций. Если у радиатора большая длина, ее дальние края не прогреются полностью либо останутся холодными. Для исключения проблемы в панельных батареях устанавливают удлинители потока – специальные трубки, доводящие носитель тепла до середины. Аналогичные приборы можно ставить в батареи из алюминия или сплавов металлов, чтобы улучшить тепловую отдачу.

Нижнее подключение
Диагональное подсоединение
Боковое подключение

Нижнее

Нижнее либо седельное подключение считают наименее результативным, тепловые потери при нем достигают 12-14%. При этом такой вариант самый эстетичный, поскольку трубы укладывают по полу либо под ним. Проблему с потерей тепла решают, покупая более мощные батареи, чтобы повысить температуру в помещении.

Идеально подобранная схема подключения исключает тепловые потери и помогает предотвратить избыточный расход топлива. Однотрубная система отопления для частного дома или многоэтажного строения – выгодный и доступный вариант для тех, кто хочет сэкономить средства и обеспечить помещения теплом.

Что такое однотрубная система отопления, каков порядок ее укладки и схема работы

При подготовке отопительной системы в частном доме часто возникает вопрос: какую систему отопления выбрать? Среди схем отопления выделяют: двухтрубная и однотрубная. Самостоятельно проще собрать однотрубную систему, такая схема самая простая и надежная, к тому же понадобится минимальный ассортимент запорной арматуры. Итак, при создании такой отопительной схемы используется котел, трубы и в качестве наполнителя системы — вода.

Принцип работы однотрубной системы

Центральным местом в сборке конструкции является котел (газовый или твердотопливный), он осуществляет подогрев теплоносителя (воды) и он поступает в радиаторы отопления. Двигаясь по ним, температура теплоносителя снижается и по обратной трубе он возвращается в котел. И цикл опять повторяется.

При сборке данной системы следует понимать, что, попадая в первый радиатор, температура теплоносителя имеет высокий показатель, далее он попадает во второй, в третий и т. д. Попав в последний радиатор, температура находится в пределах 40−50°С, а при такой температуре помещение не прогреть.

Преодолеть такие колебания поступающей воды можно двумя способами:

  • Увеличивать теплоемкость последних радиаторов, тем самым повышается его теплоотдача;
  • Либо повышать температуру выходящей воды из котла.

Указанные способы сами по себе затратные и экономически не выгодные, они ведут к удорожанию системы отопления.

Существует и другой более экономный способ распределения горячей воды по трубам:

  • Установить циркуляционный насос, который будет увеличивать скорость движения воды по трубам и эффективность системы значительно повысится. Такие устройства питаются от сети электропитания и для загородных поселков, где довольно часты случаи отключения они не являются хорошим вариантом.
  • Предусмотрительная установка разгонного коллектора — высокой прямой трубы, вода, проходящая по ней, набирает скорость и по радиаторам продвигается быстрее.

Монтаж коллектора тоже имеет свои особенности. При проведении отопительной системы в одноэтажном доме, где потолки не очень высокие — он работать не будет, и все усилия по его установке будут напрасными, это касается высоты менее 2,2 метра.

При обустройстве отопительной системы в двухэтажном доме, такая особенность автоматически отпадает. Коллектор — ровная прямая труба, отходящая от котла и поднятая до самой верхней точки водоотдачи. Чем выше будет она поднята, тем бесшумнее и эффективнее будет функционировать — скорость движения воды будет достаточной для быстрого протока по трубам.

К верхней точке следует подключить и расширительный бачок. Он применяется в качестве стабилизатора и контролирует увеличение объема теплоносителя. Увеличенный, при нагреве, объем воды попадает в расширительный бачок и решается проблема перелива, при понижении температуры объем воды уменьшается и опускается в систему.

Специфика такой конструкции заключается в том, что однотрубная система не имеет трубы обратного действия, по которой бы вода возвращалась к котлу. Обраткой при такой разводке считают вторую половину магистральной и единственной трубы.

Положительные стороны однотрубной системы

Преимущества однотрубной системы отопления:

  1. Один контур системы располагается по всему периметру помещения и может пролегать не только в помещении, но и под стенами.
  2. При укладке ниже уровня пола необходимо выполнить теплоизоляцию труб во избежание теплопотерь.
  3. Такая система позволяет производить прокладку труб под дверными проемами, таким образом, снижается материалоемкость и, соответственно, себестоимость конструкции.
  4. Поэтапное подключение отопительных приборов позволяет подключить к разводной трубе все необходимые элементы отопительной цепи: радиаторы, полотенцесушители, теплый пол. Степень нагрева радиаторов можно регулировать методом подключения к системе — параллельно либо последовательно.
  5. Однотрубная система позволяет устанавливать несколько видов отопительных котлов, например, газового, твердотопливного или электрокотла. При возможном отключении одного можно сразу подключить второй котел и система будет и дальше продолжать отапливать помещение.
  6. Очень важная особенность такой конструкции — возможность направлять движение потока теплоносителя в том направлении, которое будет наиболее выгодным для жителей этого дома. Сначала направить движение горячего потока в северные комнаты или расположенные с подветренной стороны.

Минусы однотрубной системы

При наличии большого количества преимуществ однотрубной системы, следует отметить и некоторые неудобства:

  • При длительном простое системы — долгий ее запуск.
  • При монтаже системы на двухэтажном доме (и более) подача воды в верхние радиаторы происходит очень высокой температуры, в нижние же — низкой. Отрегулировать и сбалансировать систему при такой разводке очень тяжело. Можно устанавливать ни нижних этажах большее количество радиаторов, но это повышает себестоимость и выглядит не очень эстетично.
  • При наличии нескольких этажей или уровней — отключить один нельзя, поэтому при проведении ремонтных работ приходится отключать все помещение.
  • При потере уклона в системе могут периодически возникать воздушные пробки, что снижает теплоотдачу.
  • Высокие теплопотери в процессе эксплуатации.

Особенности монтажа однотрубной системы

При монтаже следует знать некоторые особенности строения системы и строго их соблюдать.
  • Монтаж отопительной системы начинается с установки котла;
  • На всем протяжении магистрали должен быть выдержан уклон не менее 0,5 см на 1 п. м. трубы. При несоблюдении такой рекомендации на приподнятом участке буде скапливаться воздух и препятствовать нормальному течению воды;
  • Для освобождения от воздушных пробок на радиаторах применяются краны Маевского;
  • Перед подключаемыми отопительными приборами следует устанавливать запорные краны, в случае ремонта устройства не понадобиться сливать воду из всей системы или при необходимости, есть возможность немного отрегулировать температурный режим системы;
  • Кран слива теплоносителя устанавливается в самой нижней точке системы и служит для частичного, полного слива или заполнения;
  • При устройстве гравитационной системы (без насоса), коллектор должен быть на высоте не менее 1,5 метров от плоскости пола;
  • Поскольку вся разводка выполнена трубами одинакового диаметра, их следует надежно крепить к стене, не допуская возможных прогибов, чтобы не скапливался воздух;
  • При подключении циркуляционного насоса в сочетании в электрокотлом, их работа должна быть синхронизирована, котел — не работает, насос — не работает.

Установлен циркуляционный насос должен быть всегда перед котлом, учитывая его специфику — он нормально работает при температуре не выше 40 градусов.

Разводка системы может выполнять двумя способами:

  • Горизонтальная
  • Вертикальная.

При горизонтальной разводке используется минимальное количество труб, и подключение приборов выполняется последовательно. Но такому способу подключения свойственны воздушные пробки, и отсутствует возможность регулирования теплопотока.

При вертикальной разводке трубы прокладываются по чердачному помещению и от центральной магистрали отходят трубы, ведущие к каждому радиатору. При такой разводке вода поступает к радиаторам одинаковой температуры. Свойственна вертикальной разводке такая особенность — наличие общего стояка для целого ряда радиаторов, вне зависимости от этажа.

Ранее эта система отопления была очень популярна, ввиду экономичности и простоты монтажа, но постепенно, учитывая, возникающие нюансы во время эксплуатации, стали от нее отказываться и в данный момент она очень редко применяется для отопления частных домов.

Оцените статью: Поделитесь с друзьями!

Классификация теплообменников, управляющие уравнения и средства расчета.

Перегородки — равномерно расположенные перегородки кожухотрубного теплообменника, которые поддерживают трубы, предотвращают вибрацию, регулируют скорость и направление жидкости, увеличивают турбулентный поток и уменьшают горячие точки.
Противоток — относится к движению двух потоков в противоположных направлениях; также называется противотоком.
Crossflow — относится к движению двух потоков перпендикулярно друг другу.
Дифференциальное давление — разница между давлением на входе и выходе; представлен как ΔP или дельта p.
Дифференциальная температура — разница между температурой на входе и выходе; представлен как ΔT или дельта t.
Обрастание — наросты на внутренних поверхностях таких устройств, как градирни и теплообменники, что приводит к снижению теплопередачи и засорению.
Многопроходный теплообменник — тип кожухотрубного теплообменника, который направляет боковой поток через пучок труб (источник тепла) более одного раза.
Явное тепло — тепло, которое можно измерить или ощутить по изменению температуры.
Кожухотрубный теплообменник — теплообменник, имеющий цилиндрическую оболочку, окружающую пучок труб.
Сторона кожуха — означает обтекание трубок кожухотрубного теплообменника снаружи.
Ребойлер Thermosyphon — тип теплообменника, который создает естественную циркуляцию, когда статическая жидкость нагревается до точки кипения.
Трубный лист — плоская пластина, к которой концы трубок в теплообменнике крепятся прокаткой, сваркой или обоими способами.
Сторона трубки — относится к потоку через трубки кожухотрубного теплообменника.

Теплопередача — важная функция многих промышленных процессов. Теплообменники широко используются для передачи тепла от одного процесса к другому. Теплообменник позволяет горячей жидкости передавать тепловую энергию более холодной жидкости посредством теплопроводности и конвекции. Теплообменник обеспечивает нагрев или охлаждение процесса. Для использования в химической обрабатывающей промышленности был разработан и изготовлен широкий спектр теплообменников.

В теплообменниках с трубчатыми змеевиками змеевики погружаются в воду или обрызгиваются водой для передачи тепла. Этот тип работы имеет низкий коэффициент теплопередачи и требует много места. Лучше всего подходит для конденсации паров с небольшими тепловыми нагрузками.

Двухтрубный теплообменник имеет простую конструкцию для передачи тепла. Двухтрубный теплообменник имеет трубу внутри трубы. Внешняя труба обеспечивает оболочку, а внутренняя труба обеспечивает трубу.Теплая и холодная жидкости могут течь в одном направлении (параллельный поток) или в противоположных направлениях (противоток или противоток).
Направление потока обычно противоточное, потому что оно более эффективно. Эта эффективность достигается за счет турбулентного, противостоящего, разрывающего эффекта встречных токов. Несмотря на то, что два потока жидкости никогда не вступают в физический контакт друг с другом, два потока тепловой энергии (холодный и горячий) сталкиваются друг с другом. Энергетические конвективные потоки смешиваются в каждой трубе, распределяя тепло.

В теплообменнике с параллельным потоком температура на выходе одной жидкости может приближаться только к температуре на выходе другой жидкости. В противоточном теплообменнике температура на выходе одной жидкости может приближаться к температуре на входе другой жидкости. Из-за уменьшения разницы температур в теплообменнике с параллельным потоком будет передаваться меньше тепла. Статические пленки, образующиеся на трубопроводе, ограничивают теплопередачу, действуя как изолирующие барьеры. Жидкость вблизи трубы горячая, а жидкость, находящаяся дальше от трубы, холоднее.Любой тип турбулентного эффекта может разрушить статическую пленку и передать тепловую энергию, закручивая ее вокруг камеры. Параллельный поток не способствует созданию турбулентных водоворотов.

В химической промышленности обычно используются шпильки-теплообменники. Шпильчатые теплообменники используют два основных режима: двухтрубный и многотрубный. Обменник получил свое название от необычной формы шпильки. Двухтрубная конструкция представляет собой трубу в трубе. К внешней стенке внутренней трубы можно добавить ребра для увеличения теплопередачи.Многотрубная шпилька напоминает типичный кожухотрубный теплообменник, растянутый и изогнутый в шпильку.
Конструкция шпильки имеет ряд преимуществ и недостатков. Среди его преимуществ — отличная способность к тепловому расширению благодаря форме U-образной трубки; его оребренная конструкция, которая хорошо работает с жидкостями с низким коэффициентом теплопередачи; и его высокое давление со стороны трубки. Кроме того, его легко установить и почистить; его модульная конструкция позволяет легко добавлять новые разделы; и запасные части недорогие и всегда в наличии.К его недостаткам можно отнести то, что он не так рентабелен, как большинство кожухотрубных теплообменников, и требует специальных прокладок.

Кожухотрубный теплообменник является наиболее распространенным в промышленности. Кожухотрубный теплообменник имеет цилиндрическую оболочку, окружающую пучок труб. Поток жидкости через теплообменник называется потоком со стороны трубы или со стороны корпуса. Ряд перегородок поддерживает трубы, направляет поток жидкости, увеличивает скорость, уменьшает вибрацию трубы, защищает трубы и создает перепады давления.Кожухотрубные теплообменники можно разделить на однопроходные с фиксированной головкой; фиксированная головка, многопроходная; плавающая головка, многопроходная; или U-образная трубка. В теплообменнике с фиксированной головкой трубные решетки прикреплены к кожуху. Теплообменники с фиксированной головкой предназначены для работы с перепадами температур до 200 ° F (93,33 ° C). Тепловое расширение не позволяет теплообменнику с фиксированной головкой превысить эту разницу температур. Он лучше всего подходит для работы конденсатора или нагревателя. Теплообменники с плавающей головкой рассчитаны на высокие перепады температур выше 200 ° F (93.33 ° С). Во время работы одна трубная решетка зафиксирована, а другая «плавает» внутри оболочки. Плавающий конец не прикреплен к оболочке и может свободно расширяться.

Кожухотрубные теплообменники предназначены для работы с высокими расходами в непрерывном режиме. Расположение трубок может варьироваться в зависимости от процесса и требуемого количества теплопередачи. Когда поток со стороны трубы входит в теплообменник — или «головку», поток направляется в трубы, идущие параллельно друг другу. Эти трубки проходят через оболочку, через которую проходит жидкость.Тепловая энергия передается через стенку трубы в более холодную жидкость. Передача тепла происходит в основном за счет теплопроводности (первое) и конвекции (второе). Жидкости перемещаются снизу устройства вверх, чтобы удалить или уменьшить количество пара, попавшего в систему. Газы движутся сверху вниз, чтобы удалить захваченные или скопившиеся жидкости. Этот стандарт применяется как к потоку со стороны трубы, так и со стороны кожуха.


Ассоциация производителей трубчатых теплообменников (TEMA) классифицирует теплообменники по множеству проектных спецификаций, включая конструктивные нормы Американского общества инженеров-механиков (ASME), допуски и механическую конструкцию
:
• Класс B, предназначен для общего назначения эксплуатация (экономичный и компактный дизайн)
• Класс C.Разработан для умеренных условий эксплуатации и универсальной эксплуатации (экономичный и компактный дизайн)
• Класс R. Разработан для тяжелых условий эксплуатации (безопасность и долговечность)

Ребойлеры используются для добавления тепла к жидкости, которая когда-то кипела, пока она снова не закипит. Ребойлеры тесно связаны с работой ректификационной колонны. Типичные устройства ребойлера включают пять основных схем: ребойлер котла с затопленными трубами, естественная циркуляция, принудительная циркуляция, вертикальный термосифон и горизонтальный термосифон.Эти типы устройств классифицируются по способу создания потока жидкости. Если используется механическое устройство
, такое как насос, ребойлер называют ребойлером с принудительной циркуляцией. Циркуляция, для которой не требуется насос, классифицируется как естественная циркуляция.

  • Ребойлер котла
    Ребойлер котла представляет собой кожухотрубный теплообменник, предназначенный для производства двухфазной парожидкостной смеси, которую можно вернуть в дистилляционную колонну. Ребойлеры котла имеют съемный пучок труб, который использует пар или высокотемпературную технологическую среду для кипячения жидкости.Большая паровая полость над нагретой технологической средой позволяет парам концентрироваться. Неиспаряющаяся жидкость перетекает через водослив в выпускное отверстие для жидкости.
    Горячие пары направляются обратно в ректификационную колонну через отверстия для выпуска пара ребойлера. Этот процесс контролирует уровень в нижней части дистилляционной колонны, поддерживает чистоту продукта, отделяет более мелкие углеводороды от более крупных и помогает поддерживать критический энергетический баланс в колонне. Важным понятием дистилляционной колонны является энергетический или тепловой баланс.Ребойлеры используются для восстановления этого баланса путем добавления дополнительного тепла для процессов разделения. Нижние продукты обычно содержат более тяжелые компоненты из башни. Ребойлеры всасывают нижние продукты и прокачивают их через свою систему. Температуру колонки контролируют на установленном уровне. Поток продукта поступает в нижнюю часть корпуса ребойлера. Когда поток поступает в ребойлер, он входит в контакт с пучком труб. По трубкам течет пар или горячая жидкость.Когда нижний продукт входит в контакт с трубками, часть жидкости вырывается (испаряется) и захватывается в куполообразной паровой полости в верхней части кожуха ребойлера. Этот пар отправляется обратно в башню для дальнейшего разделения. Водослив содержит непромокшую часть жидкости в ребойлере. Избыточный поток проходит через водослив и рециркулирует через систему. Ребойлером котла легко управлять, поскольку скорость циркуляции и двухфазного потока не учитывается.
  • Вертикальный и горизонтальный термосифонный ребойлер
    Термосифонный ребойлер представляет собой однопроходный теплообменник с фиксированной головкой, подключенный к боковой стороне дистилляционной колонны.Теплообменники Thermosyphon можно устанавливать вертикально или горизонтально. Критическим расчетным фактором является обеспечение достаточного напора жидкости в колонне для поддержки обратного потока пара или жидкости в колонну. Естественная циркуляция возникает из-за разницы в плотности между более горячей жидкостью в ребойлере и жидкостью в дистилляционной башне. Одна сторона теплообменника используется для отопления, обычно паром или горячим маслом; другая сторона снимает всасывание с колонки. Когда пар используется в качестве нагретой среды в вертикальном теплообменнике, он входит через входное отверстие верхнего кожуха и стекает вниз к выпускному отверстию кожуха, чтобы обеспечить удаление конденсата.Входной патрубок нижней трубки теплообменника обычно принимает всасывание в точке, достаточно низкой на колонне, чтобы обеспечить уровень жидкости в теплообменнике. Насос не подключается к колонке и теплообменнику, если не требуется система принудительной циркуляции. Эта система использует силы плавучести, чтобы вспыхивать и втягивать жидкость. Третий закон движения Ньютона, который гласит, что для каждого действия существует равная и противоположная реакция, является основным принципом работы термосифонных ребойлеров. По мере того, как жидкости и пар циркулируют обратно в колонну, входная линия обеспечивает свежую жидкость для поддержки циркуляции.
  • Вставной ребойлер
    Вставной ребойлер монтируется непосредственно в основании дистилляционной колонны. В качестве теплоносителя используется пар или горячее масло. Тепловая энергия передается непосредственно в технологическую среду. Нижняя секция дистилляционной колонны специально разработана для обеспечения кипения нижнего продукта. Эта нижняя секция поддерживает жидкостное уплотнение, поскольку горячие пары поднимаются вверх по колонне, а тяжелые жидкости собираются внизу.

Пластинчатые теплообменники — это устройства с высокой теплопередачей и большим перепадом давления.Они состоят из ряда уплотненных пластин, зажатых между собой двумя концевыми пластинами и стяжными болтами. Каналы между пластинами предназначены для создания перепада давления и турбулентного потока, поэтому могут быть достигнуты высокие коэффициенты теплопередачи.

Отверстия пластинчатого теплообменника обычно расположены на одной из крышек с неподвижным концом. Когда горячая жидкость входит в горячее впускное отверстие на крышке с фиксированным концом, она направляется в чередующиеся секции пластины через общий выпускной коллектор. Жатка проходит по всей длине верхних пластин.По мере того как холодная жидкость попадает в противоточный впускной канал для холодной воды на крышке с неподвижным концом, она направляется в чередующиеся секции пластины. Холодная жидкость движется вверх по пластинам, а горячая жидкость опускается по пластинам. Тонкие пластины разделяют горячую и холодную жидкости, предотвращая утечку.

Поток жидкости проходит через пластины один раз перед тем, как попасть в сборный коллектор. Пластины спроектированы с чередующимся рядом камер. Тепловая энергия передается через стенки пластин за счет теплопроводности и в жидкость за счет конвекции.Линии подачи горячей и холодной воды проходят по всей длине пластинчатого нагревателя и функционируют как распределительный коллектор. Коллекторы для сбора горячего и холодного воздуха проходят параллельно и на противоположных сторонах пластин. Коллектор горячей жидкости, который проходит через пластинчатый теплообменник с разборками, расположен в верхней части. Такое расположение учитывает падение давления и турбулентный поток, когда жидкость падает над пластинами
и попадает в коллектор. Холодная жидкость поступает в нижнюю часть пластинчатого теплообменника с разборками и движется противотоком горячей жидкости.Коллектор для сбора холодной жидкости расположен в верхней части теплообменника. Пластинчато-рамочные теплообменники
имеют ряд преимуществ и недостатков. Их легко разбирать и чистить, они равномерно распределяют тепло, поэтому нет горячих точек. Пластины можно легко добавить или удалить. Другими преимуществами пластинчатых теплообменников являются их низкое время сопротивления жидкости, низкое загрязнение и высокий коэффициент теплопередачи. Кроме того, если прокладки протекают, они протекают наружу, и прокладки легко заменить.Пластины предотвращают перекрестное загрязнение продуктов. Пластинчато-рамные теплообменники обеспечивают высокую турбулентность и большой перепад давления и малы по сравнению с кожухотрубными теплообменниками.
Недостатки пластинчатых теплообменников в том, что они имеют ограничения по высокому давлению и высокой температуре. Прокладки легко повредить и могут быть несовместимы с технологическими жидкостями.

Другой подход к передаче тепла имеет место в ребристом вентиляторе или теплообменнике с воздушным охлаждением.Теплообменники с воздушным охлаждением представляют собой структурированную матрицу из гладких или оребренных труб, соединенных с впускным и обратным коллекторами. Воздух используется как внешняя среда для отвода тепла от трубок. Вентиляторы используются в различных устройствах для применения принудительной конвекции для коэффициентов теплопередачи. Вентиляторы могут быть установлены над или под трубами с принудительной или принудительной тягой. Трубки можно устанавливать вертикально или горизонтально.

Коллекторы теплообменника с воздушным охлаждением можно разделить на литые, сварные, крышки и коллекторы.Литые коробки и сварные коробки имеют заглушки на торцевой пластине для каждой трубы. Эта конструкция обеспечивает доступ для очистки отдельных трубок, их закупорки при обнаружении утечки и повторного скручивания для затягивания соединений трубок. Конструкция крышки обеспечивает легкий доступ ко всем трубкам. Между крышкой и головкой используется прокладка. Тип коллектора разработан для приложений высокого давления.
Для механических вентиляторов используются различные драйверы. Общие приводы, используемые с теплообменниками с воздушным охлаждением, включают электродвигатель и редукторы, паровую турбину или газовый двигатель, ременные передачи и гидравлические двигатели.Лопасти вентилятора изготовлены из алюминия или пластика. Алюминиевые лезвия предназначены для работы при температурах до 300 ° F (148,88 ° C), тогда как пластиковые лезвия ограничены температурой воздуха от 160 ° F до 180 ° F (71,11 ° C, 82,22 ° C).
Теплообменники с воздушным охлаждением используются в воздушных компрессорах, в системах рециркуляции и конденсации. Этот тип теплопередающего устройства обеспечивает разницу температур 40 ° F (4,44 ° C) между окружающим воздухом и выходящей технологической жидкостью.Теплообменники с воздушным охлаждением не имеют проблем, связанных с водой, таких как загрязнение или коррозия. Они просты в конструкции и дешевле в обслуживании, чем теплообменники с водяным охлаждением. У них низкие эксплуатационные расходы и превосходное удаление при высоких температурах (выше 200 ° F или 93,33 ° C).
Их недостатки заключаются в том, что они ограничены работой с жидкостью или конденсатом, имеют высокую температуру жидкости на выходе и высокую начальную стоимость оборудования. Кроме того, они подвержены возгоранию или взрыву в случае нарушения герметичности.

Спиральные теплообменники характеризуются компактной концентрической конструкцией, которая создает сильную турбулентность технологической среды. Этот тип теплообменников бывает двух основных типов: (1) спиральный поток с обеих сторон и (2) спиральный поток-поперечный поток. Спиральные теплообменники типа 1 используются в жидкостно-жидкостных системах, конденсаторах и газоохладителях. Поток жидкости в теплообменник рассчитан на работу в полном противотоке. Горизонтальная осевая установка обеспечивает отличную самоочистку от взвешенных частиц.Спиральные теплообменники 2-го типа предназначены для использования в качестве конденсаторов, газоохладителей, нагревателей и ребойлеров. Вертикальная установка делает его отличным выбором для сочетания высокой скорости жидкости и низкого перепада давления на стороне паровой смеси. Спирали типа 2 могут использоваться в жидкостно-жидкостных системах, где высокие скорости потока с одной стороны компенсируются низким расходом с другой.

КНИГА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ДАННЫХ, разработанная Ассоциацией поставщиков газоперерабатывающих предприятий
Двухпроцессная технология — оборудование и системы Чарльза Э.Томас

ТЕПЛОВЫЕ ТРУБЫ

Тепловая труба представляет собой герметичную систему, содержащую жидкость, которая при испарении передает тепло в изотермических условиях. Температура пара соответствует давлению пара, и любое изменение температуры в системе напрямую связано с падением давления пара. Выбор жидкого заряда зависит от требуемого диапазона рабочих температур тепловой трубки. Это может варьироваться от криогенных условий (значительно ниже 0 ° C) до высокотемпературных операций (выше 600 ° C), и в этом случае используются жидкие металлы (например.г., калий, натрий или литий).

Тепловая труба имеет три основные рабочие зоны, а именно испаритель, адиабатическую секцию и конденсатор, см. Рисунок 1. В случае элементарной конструкции трубы жидкость возвращается из конденсатора через структуру фитиля. Фитиль предназначен для обеспечения капиллярного перекачивания, как описано ниже. Тепловая трубка является развитием термосифона , в котором нет фитильной конструкции, а жидкость возвращается в испаритель самотеком. Таким образом, в случае термосифона область конденсатора должна быть выше области испарителя, причем угол на рисунке 1 отрицательный.

Тепловая трубка в том виде, в котором мы теперь знаем, была создана Гровером из Лос-Аламоса для использования в устройствах прямого термоэлектронного преобразования. Одна из его основных характеристик, а именно изотермализация, имеет большое значение в этом приложении. Кроме того, можно контролировать рабочую температуру трубы, вводя контролируемое давление инертного газа, такого как гелий или аргон. Давление пара жидкого заряда будет равно давлению газа при условии, что работа будет соответствовать характеру, показанному на рисунке 2.Данн и Рей называют эту трубу конструкцией «с газовым буфером» или «с переменной проводимостью».

Рисунок 1. Работа тепловой трубы (для трубы с цилиндрической геометрией).

Рис. 2. Тепловая трубка с переменной проводимостью.

Пределы эксплуатации тепловой трубки

Тепловая трубка имеет четыре основных рабочих режима, каждый из которых устанавливает предел производительности либо по скорости теплопередачи (осевой или радиальный), либо по перепаду температуры. Пределы для каждого режима представлены ниже для тепловой трубы простой цилиндрической геометрии, как показано на рисунке 3.Эти пределы были классифицированы Буссом и заключаются в следующем.

Давление пара или предел вязкости

В низкотемпературном диапазоне работы рабочей жидкости, особенно при запуске тепловой трубы, минимальное давление на конце трубы конденсатора может быть очень низким. Падение давления пара между крайним концом испарителя и концом конденсатора представляет собой ограничение в работе. Максимальная скорость теплопередачи при этом ограниченном пределе падения давления пара определяется как:

(1)

где D v — диаметр прохода для пара, h lg — энтальпия парообразования, p v — давление, ρ v — плотность пара и η v — динамическая вязкость пара.

НОТА. Все свойства пара в уравнении. (1) относятся к условиям на закрытом конце испарителя.

где l e — длина области испарителя, l a длина адиабатической области и l c длина области конденсатора.

При температуре выше предела давления пара скорость пара может быть сравнима со скоростью звука, и поток пара становится «закупоренным». Рекомендуемая максимальная скорость теплопередачи во избежание засорения потока (т.е.е., звуковой предел) определяется выражением

(2)

где A v — площадь прохода пара.

Скорость пара увеличивается с повышением температуры и может быть достаточно высокой для создания эффектов сдвига на обратный поток жидкости из конденсатора в испаритель, которые вызывают увлечение жидкости паром. Сдерживающая сила поверхностного натяжения жидкости является основным параметром при определении предела уноса. Унос приведет к остановке потока жидкости из конденсатора и, в конечном итоге, к « иссушению » испарителя.

Предел уноса определяется выражением

(3)

где σ — поверхностное натяжение жидкости, x — характерный размер поверхности фитиля (2r σ , где r σ = эффективный радиус поровой структуры).

Движущее давление для циркуляции жидкости в тепловой трубе определяется капиллярной силой, установленной внутри фитильной конструкции, а именно:

Тираж будет поддерживаться при условии:

(4)

где Δp l — это падение давления на трение в жидкости, а Δp v — фракционное падение давления в паре.

Для условий ламинарного потока в структуре фитиля:

(5)

где — скорость теплопередачи, η l вязкость жидкости, A w площадь поперечного сечения внутри фитиля, K проницаемость фитиля и ρ l плотность жидкости.

Гравитационный напор (ρ l gl cosΦ) может быть положительным или отрицательным, в зависимости от того, работает ли труба под действием силы тяжести или работает против силы тяжести (см. Рисунок 1).

При расчете падения давления пара (Δp v ) важно убедиться, что число Маха M <0.2 и предполагаются условия течения несжимаемой жидкости.

Для условий ламинарного потока (т.е. Re v <2000) можно применить уравнение Хагена-Пуазейля , таким образом

(6)

где r v — радиус прохода пара.

Для турбулентного потока уравнение Фаннинга дает:

(7)

где l — длина паровода, f — Коэффициент трения Фэннинга (0,079 / Re v 1/4 для 2100 v <10 5 ), V v — пар скорость и D v диаметр прохода для пара; и где Re v — число Рейнольдса для потока пара.

ПРИМЕЧАНИЕ: для ламинарного потока, то есть Re <2100, коэффициент трения Фаннинга , указанный выше, заменяется формой Hagen-Poiseuille , f = 16 / Re v . (См. Коэффициенты трения для однофазного потока.)

Падение давления пара по длине испарителя плюс адиабатическая область для турбулентного потока (Re ≥ 2000) приведено в ESDU 79012 как

(8)

Перепад температуры на фитиль в зоне испарителя увеличивается с увеличением теплового потока испарителя.Достигается точка, когда разница температур превышает степень перегрева, приемлемую по отношению к условиям пузырькового кипения. Начало кипения внутри фитиля мешает циркуляции жидкости. В конечном итоге это приводит к « иссушает », что в случае нагрева постоянным тепловым потоком может вызвать «выгорание » защитной оболочки испарителя.

В случае пузырькового кипения соотношение между радиусом пузырька и разницей давления, устойчивой на изогнутой поверхности, определяется следующим образом:

(9)

где R — радиус пузыря.

Степень перегрева ΔT s , связанная с Δ p , определяется уравнением Клаузиуса-Клапейрона

(10)

где v v — удельный объем пара; а v l — удельный объем жидкости.

Так как v l << v v , то

(11)

Центры зародышеобразования, в которых впервые образуются пузырьки, представлены царапинами или шероховатыми поверхностями и выделением абсорбированного газа. Данн и Рей приводят следующее импирическое уравнение для степени перегрева фитильной конструкции:

(12)

где δ — толщина теплового слоя (т.е.е., характерный размер), равный 2,5 × 10 −5 м для типовых поверхностей. Используя этот характерный размер, они создали таблицу, показывающую степень перегрева для ряда возможных рабочих жидкостей для тепловых труб, включая аммиак, воду и жидкие металлы (для работы при высоких температурах). Жидкие металлы, имеющие гораздо более высокое поверхностное натяжение, вызывают гораздо более высокие степени перегрева (например, 10 ° C ΔT s <54 ° C по сравнению с ΔT s ≈ 2 ° C для NH 3 и H 2 O ).

Связанный тепловой поток испарителя с пузырьковым кипением определяется как:

(13)

где λ w — эффективная теплопроводность фитиля (металл плюс жидкость), а x — толщина структуры фитиля.

(14)

где

(15)

и λ s — проводимость твердого тела, λ l — проводимость жидкости и ε — пористость фитильной структуры.

Альтернативное уравнение для предела кипения приведено в листе данных ETSU 79012 как

(16)

где Δp σ — максимальное капиллярное давление, обеспечиваемое фитилем (см. выше), r n — радиус зародыша (= 2 × 10 −6 м) и Z — термическое сопротивление фитиля.

Видно, что указанные выше ограничения относятся к температуре в зависимости от рабочей жидкости, как показано на рисунке 3. Выбор рабочей жидкости должен быть таким, чтобы тепловая труба работала при температуре, значительно превышающей предел вязкости, даже при запуске. .

Рисунок 3. Пределы тепловой трубы — рабочий диапазон.

Термосифон отличается от тепловой трубки отсутствием фитильной конструкции. Таким образом, устройство может работать только с конденсатором над испарителем с обратным потоком жидкости под действием силы тяжести.Уравнения, относящиеся к различным пределам характеристик двухфазного закрытого термосифона, приведены в листе данных ESDU 81038. Пределы вязкости и звука такие же, как для тепловых трубок, а уравнение для предела кипения и пределов противоточного потока суммировано ниже. .

Предел кипения возникает, когда между жидкостью и стенкой испарителя образуется устойчивая паровая пленка. Максимальный тепловой поток согласно ESDU 81038:

(17)

Предел противотока

Это условие относится к уносу или затоплению.Максимальная теплопередача при этом условии определяется выражением

(18)

где f 1 — это функция номера облигации, определяемая как

(19)

f 1 можно найти из ESDU 81038, но видно, что он имеет значение 4 для B 0 = 1,0 и значение 8 для B 0 = 10,0.

Коэффициент f 1 является функцией безразмерного параметра K p , который определяется как

(20)

а также

Коэффициент f 3 является функцией наклона тепловой трубы.При вертикальном положении f 3 = 1. Изменение f 3 с учетом как угла наклона трубы, так и числа Бонда показано на рисунке 2 ESDU 81038.

При выборе рабочей жидкости для тепловой трубы или термосифона необходимо следить за тем, чтобы устройство работало в указанных выше пределах. Выбор рабочего тела во многом зависит от теплофизических свойств жидкости, а также от режима работы устройства. Показатель качества (Φ) может использоваться для определения относительной производительности ряда предполагаемых рабочих жидкостей.Значения Φ приведены для ряда жидкостей в ESDU 80017, а график зависимости Φ от температуры показывает влияние свойств рабочего тела на максимальный тепловой поток.

Для тепловых трубок с капиллярным приводом

(21)

на рисунке 4 показана зависимость Φ 1 от температуры для ряда жидкостей.

Рис. 4. Показатели качества (Φ) для различных рабочих жидкостей в тепловых трубках с капиллярным приводом.

Для термосифона

(22)

Практические рекомендации по проектированию

Тепловая труба может использоваться для передачи тепла в почти изотермических условиях, а также может использоваться для регулирования температуры, как показано на рисунке 2.Использование буферного газа для контроля давления пара и, следовательно, температуры пара считается очень эффективным методом контроля температуры. И пассивные, и активные техники проиллюстрированы в книге Данна и Рея «Тепловые трубки». Также существует потенциал улучшения характеристик тепловой трубы при работе в режиме ограничения капиллярности за счет использования конструкции композитной фитильной конструкции. (См. Данн и Рей.) Еще одним преимуществом тепловой трубки является ее применение в качестве теплового трансформатора, см. Рисунок 5.

Рисунок 5.Тепловой трансформатор.

Концепция испарения жидкости в нагретом пористом элементе была разработана сначала в Харвелле Данном и Райсом в конце 1960-х годов для создания конструкции ядерного реактора с использованием этого принципа, а затем в Университете Рединга, что привело к успешной представление докторской диссертации Райс (1971). Работа в Reading привела к использованию нагревателя пористого элемента для таких применений, как вакуумный насос с быстрой диффузией пара, разработанный совместно с AERE Harwell и Edwards High Vacuum Ltd.Короткое время пребывания для нагревания и испарения жидкости было использовано в дальнейшей работе, связанной с пиролитическими химическими реакциями.

Принцип испарения внутри пористого элемента по сравнению с испарением с плоской поверхности показан на рисунках 6 и 7. Видно, что стабильное кипение может быть достигнуто только в пористой среде, если установлен режим равномерного потока. Средства для достижения этого условия были реализованы за счет использования области дозатора, через которую жидкое сырье подавалось в элемент, см. Рисунок 8.Дозатор также обеспечивал тепловой барьер для предотвращения переохлажденного кипения на входе и пористого оксида алюминия с небольшим размером пор (обычно поры диаметром 1-5 мкм) и низкой проницаемостью, а также создавал высокий перепад давления по сравнению с перепадом давления в нагретой пористой среде. Были сконструированы котлы с пористыми элементами как с плоской пластиной, так и с цилиндрической геометрией, со стабильным кипением и перегревом за один проход, см. Рисунок 8.

Рис. 6. Принцип испарения внутри пористого элемента.

Рисунок 7.Нагрев и испарение пористого элемента.

Рисунок 8. Схема парогенератора с пористым элементом внутри сваи.

Рис. 9. Пористый элемент реактора под давлением.

Концепция была разработана с использованием пористых элементов с электрическим нагревом, см. Рис. 7. Удельная мощность, превышающая 1 кВт / см. 3 элемента были достигнуты как при испарении воды, так и фреона. В случае фреона испарение и перегрев достигались равномерно с помощью пористого элемента длиной более 1 м.

Первоначально предполагалось, что котел с пористым элементом может быть разработан, чтобы обеспечить новую концепцию конструкции реактора с кипящей водой, см. Рис. 9. Пористый элемент будет состоять из упакованных обогащенных частиц UO 2 с покрытием, содержащихся в пористой керамической «дозирующей» трубке. . В емкость реактора будет подаваться вода через пористые распределительные трубки. Предполагалось, что такая конструкция реактора позволит как кипение, так и перегрев за один проход через пористый элемент « топливные стержни ».Экспериментальный парогенератор « in-pile » был спроектирован, как показано на рисунке 8, в надежде, что концепция может быть продемонстрирована в условиях ядерного нагрева.

ССЫЛКИ

Буссе, К. А. (1973) Теория конечного предела теплопередачи цилиндрических тепловых труб, Int. J. Тепло и массообмен , 16, 169-186. DOI: 10.1016 / 0017-9310 (73)

-3

Чисхолм Д. (1971) The Heat Pipe , Mills and Boon Ltd., Лондон.

Коттер, Т.P. (1965) Theory of Heat Pipes , LA 3246-MS, 26 марта 1965 г.

Данн, П. Д. и Рэй, Д. А. (1994) Heat Pipes , 4-е изд., Пергамон.

Гровер, Г. М., Патент США 3229759. Подана в 1963 г.

Гровер Г. М., Коттер Т. П. и Эриксон Г. Р. (1964) Структуры с очень высокой теплопроводностью, J Appl. Phys. , 35, с. 1990.

Фулфорд, Д., (1989) Тепловые трубы с переменной проводимостью , докторская диссертация, Университет Рединга, U.К.

Тепловые трубы — Общая информация об их использовании, эксплуатации и конструкции,

Паспорт ESDU 80013, август 1980 г.

Тепловые трубки — характеристики конструкции с капиллярным приводом , лист данных ESDU>

79012, сентябрь 1979 г.

Тепловые трубки — свойства обычных фитилей с малыми порами , паспорт ESDU

79013, ноябрь 1979 г.

Тепловые трубки — характеристики двухфазных закрытых термосифонов , лист данных ESDU>

81038, окт.1981.

Райс, Г. (1971) Пористый элементный котел , докторская диссертация, Университет Рединга, Великобритания,

Райс, Г., Данн, П. Д., Освальд, Р. Д., Харрис, Н. С., Пауэр, Б. Д., Деннис, Х. Т. М., и Поллок, Дж. Ф. (1977) Промышленный вакуумный насос для пара, использующий бойлер с пористым элементом, Proc. 7-й Int. Vacuum Conf , Вена.

Райс, Г., Данн, П. Д., (1992) «Кипение и перегрев пористых элементов», 8-я Международная конференция по тепловым трубам , Пекин, сентябрь.1992, опубл. Достижения науки и техники с тепловыми трубками , Под ред. М. А. Тангзе — Int. Academic Publishers, ISBN 7-80003-272 1 / T 9.

Теплофизические свойства рабочих жидкостей тепловых труб: рабочий диапазон от -60 ° C до 300 ° C, лист данных ESDU 80017, август 1980 г.

Общие сведения о тепловых трубках с контуром | Современные тепловые решения

Петлевые тепловые трубки (LHP) — это двухфазные устройства теплопередачи, в которых используется та же капиллярная перекачка рабочей жидкости, что и в обычных тепловых трубках.LHP могут эффективно передавать тепло на расстояние до нескольких метров при любой ориентации в гравитационном поле. При горизонтальном размещении это расстояние может достигать нескольких десятков метров.

Развитие LHP было вызвано, главным образом, ограничением обычных тепловых труб, в которых фитильная система резко снижает свою теплопередающую способность, если испаритель поднимается выше, чем конденсатор. Эта потребность остро ощущалась в аэрокосмических приложениях, где тепло, выделяемое электроникой, должно было эффективно отводиться для целей рассеивания.Но устройство должно было быть гораздо менее чувствительным к изменениям ориентации в гравитационном поле. На рисунках 1а и 1б показана схема LHP [1].

Разработка петлевых тепловых труб началась в 1972 году. Рисунок 1. Принципиальная схема работы петлевых тепловых труб [1, 2].

Первый такой прибор длиной 1,2 м, мощностью около 1 кВт и рабочим телом воды был создан и успешно испытан российскими учеными Герасимовым и Майдаником из Уральского политехнического института.Поскольку тепло необходимо переносить на большее расстояние, и поскольку циркуляция рабочей жидкости в тепловой трубе прямо пропорциональна коэффициенту поверхностного натяжения и обратно пропорциональна эффективному радиусу пор фитиля, потребовалась другая система для переноса тепла, когда испаритель находился над конденсатором. Это показано на рисунке 1.

Напор капилляра должен быть увеличен для компенсации потерь давления, когда жидкость движется к испарителю при работе против силы тяжести.Это можно сделать только за счет уменьшения эффективного радиуса пор фитиля. Однако увеличение гидравлического сопротивления примерно пропорционально квадрату радиуса поры. В результате не удалось построить тепловую трубу достаточной длины, которая могла бы эффективно работать против силы тяжести. Таким образом, появился стимул для разработки LHP, и теперь они находят дальнейшее применение в современной электронике.

Как указано, на производительность LHP влияет ряд ограничений.Qing et. al. [3] выполнили подробное исследование трех ключевых параметров производительности петлевой тепловой трубы для использования в криогенных приложениях. Этот LHP показан на рисунке 2.

1) Влияние размера пор фитиля — Хорошо известно, что максимальное капиллярное давление, создаваемое первичным фитилем, зависит как от эффективного размера пор, так и от поверхностного натяжения рабочей жидкости. Как правило, чем меньше размер пор и больше поверхностное натяжение, тем выше максимальное капиллярное давление.Меньший размер пор также приведет к большему сопротивлению потоку, что ограничит способность к теплопередаче. Рассматриваемые размеры пор составляли 2 и 10 мкм.
Рисунок 2. Схема LHP для криогенного применения [3].
Когда размер пор первичного фитиля больше (10 мм), способность теплопередачи LHP может достигать 26 Вт только при использовании резервуара меньшего размера (60 см3). Его способность действовать против силы тяжести сильно ослаблена. При размере пор фитиля 2 мм LHP может передавать тепловую нагрузку 26 Вт при горизонтальной ориентации независимо от объема используемого резервуара.

Рисунок 2. Схема LHP для криогенного применения [3].

2. Влияние размера резервуара — Интересно посмотреть, как LHP будет работать с резервуарами разных размеров. Как показано на Рисунке 3, сочетание силы тяжести и размера резервуара оказывает прямое влияние на способность теплопередачи LHP. При неблагоприятной гравитации способность теплопередачи LHP составляет 12 Вт при использовании большего резервуара и только 5 Вт при использовании меньшего резервуара.
Рисунок 3.Возможность теплопередачи LHP с диаметром пор 2 мм и 10 мм в горизонтальной ориентации [3].

3. Влияние рабочей жидкости — Жидкости имеют разное поверхностное натяжение, которое влияет на способность теплопередачи LHP.

Рисунок 4 демонстрирует эту возможность:
Рисунок 4. Теплопередача LHP, когда рабочей жидкостью является кислород [3].

Хотя это и не показано на рисунке 4, когда в качестве рабочего тела используется кислород, а не азот, способность теплопередачи может достигать 50 Вт при горизонтальной ориентации при сохранении других экспериментальных условий.

Приложения LHP
Это обсуждение подчеркнуло функциональность и важность проектных параметров для производительности LHP. Хотя это обсуждение касается аэрокосмического приложения, LHP также использовались для стандартной электроники. Майданик приводит несколько примеров использования миниатюрных LHP в микроэлектронике [1]. На Рисунке 5 показано «использование плоских дисковых испарителей в LHP. Схема и внешний вид таких испарителей толщиной
10 и 13 мм, термоконтактная поверхность которых выполнена в виде фланца диаметром 45 мм для крепления источника тепла.Результаты разработки аммиачных ЛТД длиной 0,86 м и 1 м с паропроводом и жидкостным трубопроводом диаметром 2 мм, оборудованных такими испарителями из нержавеющей стали. При испытаниях устройства продемонстрировали работоспособность при любых ориентациях в условиях 1g. Максимальная мощность составляла, соответственно, 90–110 Вт и 120–160 Вт, в зависимости от ориентации, а значение минимального теплового сопротивления 0,30 К / Вт и 0,42 К / Вт ».


Рисунок 5. Фотография и схема плоских дисковых испарителей в LHP [1].

Другая конструкция показана на рисунке 6, где миниатюрные LHP изготовлены из нержавеющей стали и меди, а рабочими жидкостями являются аммиак и вода. Аммиачная LHP имеет испаритель диаметром 5 мм с титановым фитилем и линии для пара и жидкости диаметром 2 мм. LHP для воды оснащена испарителем диаметром 6 мм и линиями диаметром 2,5 мм. Эффективная длина устройств составляет около 300 мм.


Рисунок 6. Миниатюрные LHP [1].

Каждый имеет ребристый конденсатор длиной 62 мм, общая площадь которого составляет около 400 см 2 .Конденсаторы охлаждаются вентилятором, обеспечивающим расход воздуха 0,64 м 3 / мин при температуре 22 ± 2 ° C.
Испытания показывают, что максимальная мощность LHP аммиака составляет 95 Вт при температуре стенок испарителя 93 ° C. Максимальная мощность для воды LHP не была достигнута, но при той же температуре она была равна 130 Вт. Минимальные значения термического сопротивления LHP, 0,12 K / W и 0,1K / W, были получены при тепловых нагрузках 70 Вт. и 130 Вт соответственно. Следует отметить, что аммиачная LHP продемонстрировала более высокое значение коэффициента теплопередачи в испарителе, который достиг 78000 Вт / м2К при плотности теплового потока 21.2 Вт / см 2 на поверхности интерфейса площадью 4 см 2 . Для воды LHP эти значения составили соответственно 31 700 Вт / м 2 K и 35 Вт / см 2 . В этом случае на поверхности активной зоны испарителя плотность теплового потока была намного выше. Для аммиака LHP оно составило 44,5 Вт / см 2 , а для воды 69,1 Вт / см 2 [3].


Рисунок 7. Фотография и схема процессорного кулера на базе LHP [4, 5].

Другой пример LHP в микроэлектронике показан на рисунке 7.Здесь LHP был разработан для охлаждения процессора мощностью 25-30 Вт с общим весом 50 г. Этот LHP был основан на медь-воде с диаметром испарителя 6 мм.
В заключение, LHP могут устранить многие недостатки, присущие обычным тепловым трубам, и предоставить дополнительные возможности. Как показал Майданик, капиллярный механизм в сочетании с размером резервуара и использованием различных жидкостей может дать значительные преимущества, которые нелегко увидеть в тепловых трубках. Некоторые из них включают:

  • использование тонкопористых фитилей,
  • максимальное уменьшение дальности движения жидкости в фитиле,
  • организация эффективного теплообмена при испарении и конденсации рабочего тела, а,
  • Максимальное снижение потерь давления на транспортном (адиабатическом) участке.

Наряду с преимуществами, получаемыми от LHP, необходимо внимательно рассмотреть использование жидкостей в электронике и потенциальную нестабильность работы. Нестабильность работы, если ее не контролировать, может вызвать термоциклирование охлаждаемого электронного компонента. Как и в случае с тепловыми трубками, эксплуатационное высыхание или потеря жидкости из-за утечки может вывести LHP из строя. В остальном LHP кажутся привлекательным дополнением к арсеналу вариантов охлаждения, доступных инженеру-конструктору.■

Ссылки:
1. Майданик, Ю., Петлевые тепловые трубы, Прикладная теплотехника, 2005.

Оставить комментарий