Obliczanie nagrzewnicy: jak obliczyć moc urządzenia do ogrzewania powietrza w systemie grzewczym

Nagrzewnice charakteryzują się wysoką wydajnością, dzięki czemu można nimi ogrzać nawet bardzo duże pomieszczenia w dość krótkim czasie. W sprzedaży dostępnych jest wiele modeli tych urządzeń, działających na bazie różnych nośników ciepła.

Aby wybrać optymalną opcję, potrzebne jest obliczenie nagrzewnicy, które można wykonać ręcznie lub za pomocą kalkulatora online. Z kwestią obliczeń pomożemy Państwu się uporać – w tym artykule podamy przykład wyliczeń, które będą potrzebne przy wyborze odpowiedniego urządzenia do ogrzewania powietrza.

Omówimy również cechy konstrukcyjne różnych rodzajów nagrzewnic oraz zalety i wady systemu grzewczego z wykorzystaniem takich urządzeń.

Zalety i wady ogrzewania nagrzewnicą

System ogrzewania domu, oparty na dostarczaniu ogrzanego do zadanej temperatury powietrza bezpośrednio do domu, cieszy się szczególnym zainteresowaniem właścicieli własnych nieruchomości.

Taka konstrukcja systemu grzewczego składa się z następujących ważnych elementów:

• nagrzewnicy, pełniącej rolę generatora ciepła, podgrzewającej powietrze;
• kanałów (przewodów wentylacyjnych), którymi ogrzane masy powietrza trafiają do domu;
• wentylatora, kierującego dobrze ogrzane powietrze po całej objętości pomieszczenia.

Zalet systemu tego typu jest wiele. Należą do nich wysoka sprawność, brak pomocniczych elementów wymiany ciepła w postaci grzejników, rur, możliwość połączenia go z systemem klimatyzacji oraz mała bezwładność, dzięki czemu ogrzewanie dużych objętości następuje bardzo szybko.

Dla wielu właścicieli domów mankamentem jest fakt, że montaż systemu jest możliwy tylko równocześnie z budową domu, a jego późniejsza modernizacja jest niemożliwa.

Minusem jest również konieczność posiadania zasilania awaryjnego oraz potrzeba regularnej obsługi technicznej.

Kaloryfer jest prosty w montażu i obsłudze, dostępny cenowo, ale co najważniejsze, jest skutecznym urządzeniem do ogrzewania pomieszczeń. Na zdjęciu wodny kaloryfer wmontowany w system.

Na naszej stronie dostępne są bardziej szczegółowe materiały dotyczące urządzeń ogrzewania powietrznego w domu i domku jednorodzinnym. Polecamy Państwu zapoznać się z nimi:

• Ogrzewanie powietrzne własnymi rękami: wszystko o powietrznych systemach grzewczych
• Jak urządzić ogrzewanie powietrzne domu wiejskiego: zasady i schematy budowy
• Obliczanie ogrzewania powietrznego: główne zasady + przykład obliczeń

Klasyfikacja nagrzewnic

Kaloryfery są włączane do konstrukcji systemów grzewczych w celu ogrzewania powietrza. Istnieją następujące grupy tych urządzeń ze względu na rodzaj stosowanego czynnika grzewczego: wodne, elektryczne, parowe, ogniowe.

Urządzenia elektryczne warto stosować w pomieszczeniach o powierzchni nie większej niż 100 m². W przypadku budynków o większych powierzchniach bardziej racjonalnym wyborem będą kaloryfery wodne, które działają tylko przy obecności źródła ciepła.

Najpopularniejsze są parowe i wodne kaloryfery. Zarówno pierwsze, jak i drugie, ze względu na kształt powierzchni dzielą się na dwa podtypy: żebrowane i gładkorurowe. Kaloryfery żebrowane ze względu na geometrię żeber mogą być płytkowe i spiralnie nawinięte.

Wydajność kaloryferów pracujących na czynniku grzewczym, takim jak para, reguluje się za pomocą specjalnych zaworów zamontowanych na rurze wlotowej.

Pod względem konstrukcyjnym urządzenia te mogą być jednoprzepływowe, gdy czynnik grzewczy przepływa przez rurki w stałym kierunku, oraz wieloprzepływowe, w których pokrywach znajdują się przegrody, przez co kierunek przepływu czynnika grzewczego stale się zmienia.

Dostępne są 4 modele kaloryferów wodnych i parowych, różniące się powierzchnią grzewczą:

• SM — najmniejsza z jednym rzędem rur;
• M — mała z dwoma rzędami rur;
• S — średnia z trzema rzędami rur;
• B — duża, mająca 4 rzędy rur.

Wodne kaloryfery podczas eksploatacji wytrzymują duże wahania temperatury — 70-110⁰. Dla dobrej pracy kaloryfera tego typu woda krążąca w systemie powinna być podgrzana maksymalnie do 180⁰. W ciepłej porze roku kaloryfer może pełnić rolę wentylatora.

Konstrukcja nagrzewnic różnych rodzajów

Nagrzewnica wodna grzewcza składa się z metalowego korpusu, umieszczonego wewnątrz wymiennika ciepła w postaci szeregu rurek oraz wentylatora. Na końcu urządzenia znajdują się króćce wlotowe, przez które podłącza się je do kotła lub centralnego systemu ogrzewania.

Zazwyczaj wentylator znajduje się z tyłu urządzenia. Jego zadaniem jest przepuszczanie powietrza przez wymiennik ciepła.

Po nagrzaniu powietrze wraca do pomieszczenia przez kratkę znajdującą się z przodu nagrzewnicy.

Najczęściej korpus wykonuje się w kształcie prostokąta, ale istnieją modele przeznaczone do przewodów wentylacyjnych o okrągłym przekroju. Na przewodzie zasilającym instaluje się zawory dwu- lub trzy-drogowe do regulacji mocy urządzenia.

Wentylator nadmuchuje rurki umieszczone w obudowie nagrzewnicy. W rurkach płynie ogrzana woda z systemu grzewczego, a wentylator równomiernie rozprowadza ciepłe powietrze po pomieszczeniu.

Nagrzewnice różnią się również sposobem montażu — są one sufitowe i ścienne. Modele pierwszego typu umieszcza się za sufitem podwieszanym, a na zewnątrz wystaje tylko kratka. Urządzenia ścienne są bardziej popularne.

Rodzaj #1 – nagrzewnice gładkorurowe

Konstrukcję gładkorurową tworzą elementy grzejne w postaci pustych cienkich rurek o średnicy od 20 do 32 mm, umieszczonych w odległości 0,5 cm od siebie. Krążący w nich nośnik ciepła. Powietrze, opływając nagrzane powierzchnie rurek, nagrzewa się dzięki konwekcyjnej wymianie ciepła.

Rurki w nagrzewnicy powietrza umieszcza się w układzie szachownicowym lub korytarzowym. Ich końce są wtopione w kolektory — górny i dolny. Nośnik ciepła wpływa do skrzynki rozdzielczej przez króciec wlotowy, następnie, przepływając przez rurki i ogrzewając je, wychodzi przez króciec wylotowy jako kondensat lub schłodzona woda.

Bardziej stabilny przekaz ciepła zapewniają urządzenia z szachownicowym ułożeniem rurek, ale opór dla przepływu powietrza jest tu wyższy. Należy koniecznie wykonać obliczenia mocy urządzenia, aby poznać jego rzeczywiste możliwości.

Do powietrza stawia się określone wymagania — nie powinno zawierać włókien, cząstek zawieszonych, lepkich substancji. Dopuszczalne zapylenie — poniżej 0,5 mg/m³. Temperatura na wlocie — minimum 20⁰.

Nagrzewnice jedno- i trójdrogowe. 1 – króciec wlotowy, przez który wpływa nośnik ciepła, 2 – skrzynka rozdzielcza, 3 – rurka, 4 – króciec wylotowy, 5 – przegroda.

Charakterystyka cieplna nagrzewnic gładkorurowych nie jest bardzo wysoka. Ich zastosowanie jest uzasadnione, gdy nie jest wymagany znaczny przepływ powietrza i jego nagrzewanie do wysokiej temperatury.

Rodzaj #2 – nagrzewnice żebrowane

Rury urządzeń żebrowanych mają powierzchnię ożebrowaną, w związku z czym ich oddawanie ciepła jest większe. Przy mniejszej liczbie rur ich charakterystyka cieplna jest wyższa niż w przypadku nagrzewnic gładkorurowych.

W skład nagrzewnic płytowych wchodzą rurki z nałożonymi na nie płytami — prostokątnymi lub okrągłymi.

Pierwszy rodzaj płyt nakłada się na grupę rur. Czynnik grzewczy przechodzi do skrzynki rozdzielczej urządzenia przez złączkę, ogrzewa powietrze przepływające ze znaczną prędkością przez kanały o małej średnicy, a następnie ze skrzynki zbiorczej wychodzi przez złączkę.

Nagrzewnice tego rodzaju są kompaktowe, wygodne w obsłudze i montażu.

Urządzenia płytowe jednoprzebiegowe oznacza się: KFB, KFS, KVB, STD3009V, KZPP, K4PP, a wieloprzebiegowe — KVB, K4VP, KZVP, KVS, KMS, STDZOJuG, KMB. Model średni ma oznaczenie KFS, a duży — KFB.

Na rurki tych nagrzewnic nawija się stalową taśmę karbowaną o szerokości 1 cm i grubości 0,4 mm. Czynnikiem grzewczym dla nich może być zarówno para, jak i woda.

Nagrzewnic wodnych nie można podłączać rurami metaloplastikowymi lub polimerowymi, ponieważ nie są one przeznaczone do wysokiej temperatury czynnika grzewczego. Potrzebne są rury stalowe, najlepiej ocynkowane, aby wykluczyć korozję.

Pierwsza wyposażona jest w trzy rzędy rurek, a druga w cztery. Płytki modelu średniego mają grubość 0,5 mm i wymiary 11,7 x 13,6 cm. Płyty modelu dużego o tej samej grubości i szerokości różnią się większą długością — 17,5 cm.

Płyty znajdują się w odległości 0,5 cm od siebie i mają układ zygzakowaty, podczas gdy w modelach średniego rodzaju płyty ułożone są w układzie korytarzowym.

Nagrzewnice powietrza z oznaczeniem STD mają 5 numerów (5, 7, 8, 9, 14). W nagrzewnicach STD4009V czynnikiem grzewczym jest para, a w STD3010G – woda. Montaż pierwszych wykonuje się z pionową orientacją rurek, drugich – z poziomą.

Rodzaj #3 – nagrzewnice bimetaliczne z ożebrowaniem

W systemach ogrzewania z podgrzewaniem powietrza często stosuje się modele bimetalicznych nagrzewnic KP3-SK, KP4-SK, KSk – 3 i 4 ze szczególnym rodzajem ożebrowania — spiralno-walcowym. Czynnikiem grzewczym dla nagrzewnic KP3-SK, KP4-SK jest gorąca woda o maksymalnym ciśnieniu 1,2 MPa i maksymalnej temperaturze 180⁰.

Do pracy dwóch pozostałych nagrzewnic powietrza potrzebna jest para o takim samym ciśnieniu roboczym jak dla pierwszych, ale o nieco wyższej temperaturze — 190⁰. Producenci obowiązkowo przeprowadzają testy odbiorcze. Testują urządzenia również pod kątem szczelności.

Wymiennik ciepła nagrzewnicy KSK składa się z rurek wykonanych ze stali z aluminiowymi żebrami. Łączą je rurowe kratki.

Istnieją 2 linie bimetalicznych nagrzewnic — KSK3, KPZ, posiadające 3 rzędy rurek, należą do średnich, a KSK4, KP4 z 4 rzędami rurek — do dużych modeli. Składnikami tych urządzeń są bimetaliczne elementy wymiany ciepła, boczne osłony, kratki rurowe, pokrywy z przegrodami.

Element wymiany ciepła to 2 rurki — wewnętrzna o średnicy 1,6 cm, wykonana ze stali, i nałożona na nią zewnętrzna aluminiowa z ożebrowaniem. Odstęp poprzeczny między rurami wymiany ciepła wynosi 4,15 cm, a podłużny — 3,6 cm.

Zasady obliczeń i doboru odpowiedniego agregatu

Przy projektowaniu systemu ogrzewania z jedną lub grupą nagrzewnic, a także przy wykonywaniu obliczeń, należy przestrzegać szeregu zasad. Omówimy je szczegółowo w poniższej fotogalerii.

Obliczanie nagrzewnicy wodnej

Do obliczenia mocy nagrzewnicy wodnej lub parowej potrzebne są następujące parametry wyjściowe:

1. Wydajność systemu, innymi słowy — ilość powietrza przepędzanego na godzinę. Jednostką miary przepływu objętościowego jest m³/h, masowego kg/h. Oznaczenie umowne — L.
2. Temperatura początkowa lub zewnętrzna — t_zew.
3. Temperatura końcowa powietrza — t_kon.
4. Gęstość i pojemność cieplna powietrza w określonej temperaturze — dane pobiera się z tabel.

Najpierw oblicza się pole przekroju czołowego urządzenia do podgrzewania powietrza. Poznając tę wartość, uzyskuje się wstępne wymiary agregatu z zapasem.

Do obliczeń stosuje się wzór:

Af = Lρ / 3600 (ϑρ),

Gdzie L — objętościowy przepływ powietrza lub wydajność w m³/h, ρ — gęstość powietrza na zewnątrz mierzona w kg/m³, ϑρ – prędkość masowa powietrza w obliczanym przekroju, mierzona w kg/(cm²).

Po uzyskaniu tego parametru, do dalszych obliczeń przyjmuje się typowy rozmiar nagrzewnicy, najbliższy wymiarami. Przy dużej końcowej wartości powierzchni, instaluje się równolegle kilka identycznych agregatów, których powierzchnia sumarycznie odpowiada otrzymanej wartości.

Nagrzewnicami nazywa się nie tylko urządzenia do wymiany ciepła, ale także chłodnice powietrza działające na bazie zimnej wody, które cieszą się znacznie mniejszą popularnością.

Aby określić wymaganą moc do ogrzania określonej objętości powietrza, należy poznać całkowity przepływ ogrzewanego powietrza w kg na 1 godzinę według wzoru:

G = L × p,

Gdzie ρ — gęstość powietrza w warunkach średniej temperatury. Określa się ją, sumując temperatury na wejściu i wyjściu z agregatu, a następnie dzieląc przez 2. Wartości gęstości pobiera się z tabeli.

Z tej tabeli można pobrać dane dotyczące gęstości i ciepła właściwego powietrza przy określonej temperaturze do obliczenia mocy urządzenia

Teraz można obliczyć zużycie ciepła do ogrzania powietrza, do czego stosuje się następujący wzór:

Q (W) = G × c × (t końc. – t pocz.),

Gdzie G – masowy przepływ powietrza w kg/h. Uwzględnia się przy obliczeniach również ciepło właściwe powietrza mierzone w J/(kg × K). Zależy ono od temperatury powietrza wlotowego, a jego wartości znajdują się w powyższej tabeli. Temperatura na wlocie do urządzenia i na wylocie z niego oznaczana jest jako t pocz. i t końc. odpowiednio.

Załóżmy, że należy dobrać nagrzewnicę o wydajności 10 000 m³/h, aby ogrzewała powietrze do 20° przy temperaturze zewnętrznej -30°. Nośnikiem ciepła jest woda, która ma temperaturę na wejściu do agregatu 95° i 50° na wyjściu.

Masowy przepływ masy powietrza: G = 10 000 m³/h × 1,318 kg/m³ = 13 180 kg/h.

Wartość gęstości: ρ = (-30 + 20) = -10, przy podzieleniu tego wyniku na pół otrzymano -5. Z tabeli wybrano gęstość odpowiadającą średniej temperaturze.

Podstawiając otrzymany wynik do wzoru, otrzymuje się zużycie ciepła: Q = 13 180 / 3600 × 1013 × 20 – (-30) = 185 435 W. Tutaj 1013 to ciepło właściwe wybrane z tabeli przy temperaturze –30° w J/(kg × K). Do obliczonej wartości mocy nagrzewnicy dodaje się od 10 do 15% zapasu.

Przyczyną jest to, że parametry tabelaryczne często różnią się od rzeczywistych w stronę mniejszych wartości, a wydajność cieplna agregatu, z powodu zanieczyszczenia rurek, z czasem maleje. Przekroczenie wartości zapasu jest niepożądane.

Przy znacznym zwiększeniu powierzchni grzewczej może dojść do przechłodzenia, a nawet rozmrożenia podczas dużych mrozów.

W nagrzewnicy parowej czynnik grzewczy doprowadza się od góry, a wodę powstałą w wyniku kondensacji pary zużytej odprowadza się od dołu. Na zdjęciu – schemat podłączenia nagrzewnicy parowej

Moc nagrzewnic parowych oblicza się w taki sam sposób jak nagrzewnic wodnych. Różni się tylko wzór na obliczenie nośnika ciepła:

G = Q / r,

Gdzie r – ciepło właściwe wydzielane podczas kondensacji pary, mierzone w kJ/kg.

Obliczanie nagrzewnicy elektrycznej

Producenci w katalogach nagrzewnic elektrycznych często podają moc zainstalowaną i przepływ powietrza, co znacznie ułatwia wybór. Ważne, aby parametry nie były mniejsze niż podane w karcie katalogowej, w przeciwnym razie urządzenie szybko ulegnie awarii.

W konstrukcji nagrzewnicy znajduje się kilka specjalnych elektrycznych elementów grzejnych, których powierzchnia jest zwiększona dzięki wprasowanym na nie żebrowaniu.

Moc urządzeń może być bardzo duża, czasami setki kilowatów. Do 3,5 kW nagrzewnica może być zasilana z gniazdka 220 V, a przy napięciu wyższym konieczne jest podłączenie osobnym kablem bezpośrednio do rozdzielnicy. Jeśli konieczne jest użycie nagrzewnicy o mocy powyżej 7 kW, wymagane będzie zasilanie 380 V.

Urządzenia te mają niewielkie wymiary i wagę, są całkowicie autonomiczne, nie wymagają centralnego zaopatrzenia w ciepłą wodę ani pary.

Istotną wadą jest niska moc – niewystarczająca do zastosowania na dużych powierzchniach. Drugą wadą jest duże zużycie energii elektrycznej.

Z obliczeń nagrzewnicy wynika, że efektem stosowania urządzenia jest znaczna oszczędność zasobów energetycznych. Czasami ten agregat łączy się z rekuperatorem i wtedy pobór powietrza odbywa się nie z zewnątrz, ale z pomieszczenia.

Aby dowiedzieć się, jaki prąd pobiera nagrzewnica, można skorzystać ze wzoru:

I = P /U,

Gdzie P – moc, U – napięcie zasilania.

Przy podłączeniu jednofazowym nagrzewnicy przyjmuje się U równe 220 V. Przy podłączeniu trójfazowym – 660 V.

Temperaturę, do której nagrzewnica o danej mocy ogrzewa masę powietrza, określa się wzorem:

T =2.98 x P/ L,

Gdzie L – wydajność systemu. Optymalne wartości mocy nagrzewnicy dla domu to od 1 do 5 kW, a dla biur – od 5 do 50 kW.

Podsumowanie i przydatny film na ten temat

Jaka gęstość powietrza jest używana w obliczeniach, opisano w tym filmie:

Film o tym, jak działa nagrzewnica w systemie ogrzewania:

Wybierając konkretny typ nagrzewnicy, należy kierować się względami celowości i charakterystyką eksploatacyjną domu.

W przypadku małych powierzchni dobrym nabytkiem będzie nagrzewnica elektryczna, a do ogrzewania dużego domu lepiej wybrać inną opcję. W każdym razie nie można obejść się bez wcześniejszych obliczeń.

Czy dobrze orientuje się Pan/Pani w kwestii wyboru i obliczania nagrzewnicy? Może chce Pan/Pani podzielić się przydatnymi zaleceniami dotyczącymi wyboru nagrzewnicy powietrza lub wskazać na błąd lub nieścisłość w obliczeniach w omówionym powyżej materiale? Proszę zostawić swój komentarz pod tym artykułem – Pana/Pani opinia może być przydatna dla osób, które wybierają odpowiednią nagrzewnicę do swojego domu.