Схема отопления с естественной циркуляцией частного дома. Жми!

Централизованная система отопления постепенно отживает свое, поскольку, как можно заметить, она не способна справиться с возложенными на нее задачами по отоплению помещений. Поэтому, все чаще можно встретить использование автономного отопления.

Наиболее актуальным данный вопрос является для частных домов, по причине отсутствия какого-либо источника тепла. Существует несколько схем отопления, что дает возможность каждому выбрать свою по душе и в соответствии с финансовыми предпочтениями.

Разновидности 

Рассмотрим варианты систем отопления для частных и многоквартирных домов:

• с использованием принудительной циркуляции теплоносителя;

• естественная циркуляция с использованием самотёка теплоносителя.

Системы с естественной циркуляцией получили широкое распространение, главным образом, благодаря своим сильным сторонам:

• функционирование системы с естественной циркуляцией независимо от того есть напряжение в сети или нет;

• высокие показатели инерционности системы, где внешние факторы не влияют на распространение тепла.
[advice]Примите к сведению: следует с особым вниманием подойти к выбору диаметра используемых труб для системы отопления, учитывая то, что больший диаметр улучшает циркуляцию воды, однако и здесь тоже следует знать меру.[/advice]

Статья, посвящённая установке насоса в систему отопления, расположена здесь: https://teplo.guru/sistemy/sistemy-otopleniya-s-nasosnoi-tsirkulyatsiei.html

Принцип функционирования оборудования

Система предусматривает проталкивание горячей воды наверх. Использование данной схемы отопления дома позволяет выполнять монтаж котла ниже отопительных радиаторов.

С верхней части вода в трубе с небольшим углом продвигается дальше. Здесь нужно обратить внимание на трубы, что отходят от главной ветки, подключенные к отопительным батареям, поскольку они должны быть тоньше.

Наиболее актуальным этот принцип является для систем с верхним типом раздачи, откуда самотечная система проталкивает воду к радиаторам.

В случае, когда используется схема, подразумевающая нижнюю раздачу, отопление частного двухэтажного дома самотечным способом возможно, только если есть разгонный контур. Это означает, что следует создать перепад высот, путем подключения трубы к котлу, подымающуюся к расширительному бачку. Далее труба опускается на уровень окон и оттуда делается разводка по батареям.

[warning]Следует учесть: помехой самотечной системы отопления может быть низкий потолок, поскольку предусмотрено, что труба от верхней точки котла должна на 1,5 метра отходить, и плюс расстояние на расширительный бачок.[/warning]

Наибольшим плюсом, которым обладает гравитационная отопительная система, является, то, что самотек воды выполняется без участия других систем. Это означает, что в случае использования дровяного котла, горячая вода будет поступать в систему самотеком без использования насоса или какого-либо другого оборудования, требующего включения электричества.

Правда, при помощи таких схем можно обогревать только дома небольшой площади, поскольку существует ограничение длины контура труб не более 30 метров. Такая система еще носит название ленинградка.
Разновидности самотечных отопительных систем

Используется одна или две трубы, и это не влияет на принцип работы, поскольку вода поднимается как можно выше, где учитывается уклон, а далее она поступает во все элементы системы. Двухтрубный вариант системы закрытого типа отличается тем, что вода переходит в соседнюю ветку, через вход обратки котла.

Отличием однотрубной системы является то, что здесь на вход вода поступает от последнего радиатора. Подобный принцип применяется и в отопительных системах, сделанных своими руками.

Узнать подробнее об однотрубной системе отопления можно в данном материале: https://teplo.guru/sistemy/odnotrubnaya-sistema-otopleniya.html

Используемые радиаторы отопления

Наиболее значимый показатель здесь – это минимальное сопротивление потоку воды. А от ширины просвета радиатора зависит струя теплоносителя, вне зависимости от того, используете вы трубы из полипропилена или из других материалов. Однако, чугунные радиаторы в данном отношении будут просто идеальными, особенно когда используется однотрубная система. Они имеют наименьшее гидравлическое сопротивление.

Хорошо себя зарекомендовали в использовании алюминиевые и биметаллические радиаторы, но нужно обращать внимание на их внутренний диаметр, который не должен быть менее 3/4”. Этого будет для отопления одноэтажного дома вполне достаточно, не используя циркуляционный насос. Разрешается использовать стальные трубчатые батареи.
[advice]Обратите внимание: нежелательно использовать на водяное отопление панельные батареи из стали или другие с маленьким сечением, через которые вода или не сможет протекать вообще, или же будет проходить очень небольшой струйкой, что в однотрубной разновидности ограничит циркуляцию или станет для нее препятствием.[/advice]

Разновидности схем подключения радиаторов

Характерно, что для хорошего отопления недостаточно того, чтобы котлы хорошо нагревали воду. Очень важно для поступления теплоносителя в радиаторы правильно их подключить.

На практике для однотрубного используется нерегулируемое последовательное подключение. Правда, этой проблемы удастся избежать, если у вас будет использована двухтрубная система. Данная система также не использует регулятор, однако, если радиатор завоздушится, система будет функционировать, поскольку вода будет проходить через перемычку (байпас). Правда для такой системы, как теплый пол, данный вариант не подходит.

Подробнее о необходимости установки байпаса можно прочитать здесь: https://teplo.guru/elementy/truby/baipas-2.html

Установка за перемычкой двух шаровых кранов позволяет, перекрыв поток, снять или отключить радиаторы, при этом систему останавливать не нужно. Так правильный расчет радиаторов отопления позволит Вам помещение оснастить теплоаккумулятором.
[warning]Совет специалиста: циркуляция воды в системе осуществляется за счет разницы температур и разной плотности, поэтому обратный клапан устанавливать не нужно.[/warning]

Выбор труб 

Выбирая трубы для отопления, большое значение имеет не только диаметр, но и материал, из которого они изготовлены, а, если быть точнее, гладкость их стенок, поскольку это коренным образом влияет на систему.

Также, на выбор материала большое влияние оказывает котел, поскольку в случае с твердотопливным предпочтение следует отдать стальным, оцинкованным трубам или же изделиям из нержавейки, в связи с высокой температурой рабочей жидкости.

Однако, металлопластиковые и армированные трубы предполагают использование фитингов, что значительно сужает просвет, армированные полипропиленовые трубы будут идеальным вариантом, при рабочей температуре 70С, и пиковой – 95С.

Изделия из особого пластика PPS имеют рабочую температуру 95С, и пиковую – до 110С, что позволяет использовать в открытой системе.

Особенности систем самотеком

Ввиду того, что образуются турбулентные потоки, точные расчеты систем провести не удается, поэтому при их проектировке берутся усредненные значения, для этого:

• максимально поднимают точку разгона;

• используют широкие трубы подачи;

• необходимо сделать расчет количества радиаторов.

Далее от начала первого расхождения до каждого последующего подключают трубу меньшего диаметра на шаг, равный ему, что задействует инерционные потоки.

Также существуют и другие особенности монтажа самотечных систем. Так, трубы должны прокладываться под углом 1-5%, на что влияет протяженность трубопровода. Если в системе достаточный перепад высот и температур, можно использовать и горизонтальную разводку. Важно следить, чтобы не было участков с отрицательным углом, поскольку движением теплоносителя их не удастся достать, по причине образования в них воздушных пробок.

Так, принцип работы может основываться на открытом типе или быть мембранного (закрытого) типа. Если сделать монтаж горизонтальной ориентации, рекомендуется на каждом радиаторе установить краны Маевского, поскольку с их помощью легче ликвидировать воздушные пробки в системе.

Смотрите видео, в котором специалист рассказывает об условиях возможности применения самотечной, безнасосной, гравитационной системы отопления:

Оцените статью: Поделитесь с друзьями!

схема отопления частного дома самотеком, детали на фото и видео

Содержание:

1. Принципиальная схема самотечной системы отопления
2. Выбор схемы самотечного отопления

Отопительная система, использующая принцип самотека, является единственным возможным вариантом обогрева дома, когда к нему не подведены электричество и магистральный газ. Самотечная система отопления частного дома на сегодняшний день не пользуется спросом, но заострить внимание на ней все же стоит, поскольку иногда возникают ситуации, когда такая система отопления оказывается востребованной. 

Существуют разные схемы самотечного отопления, и от правильного выбора будет зависеть большое количество параметров, начиная от дизайна помещений, заканчивая стоимостью материалов. Большинство представленных схем довольно сложны, поэтому в этой статье будут рассмотрены наиболее простые, установка которых не потребует наличия специфических знаний и умений от домовладельца. 

Все системы отопления можно разделить на две больших категории:

• системы с принудительной циркуляцией теплоносителя;
• самотечные системы, в которых циркуляция осуществляется естественным путем. 

Обе категории могут работать в одно- и двухтрубных системах. В этой статье речь пойдет о системах, где осуществляется отопление самотеком. 

Принципиальная схема самотечной системы отопления

Наиболее удобной для рассмотрения является однотрубная система, на примере которой можно выявить практически все рабочие моменты, связанные с самотечной системой отопления. Для примера в качестве теплоносителя будет использована вода, поскольку в таком случае принцип работы системы получается наиболее понятным.

Конечно, при необходимости постоянного отопления в систему можно заливать и другие жидкости, которые не боятся замерзания (антифризы и др.). Использование антифризов позволяет избежать размораживания всей отопительной системы. Кроме того, после сборки системы желательно залить ее именно антифризом, который позволит выявить все негерметичные участки трубопровода. 

Как выглядит отопление самотеком — схема довольно проста: самотечная отопительная система работает по принципу естественной циркуляции теплоносителя за счет разности температур на входном и выходном канале котла (детальнее: «Как устроена система отопления с естественной циркуляцией – какие бывают схемы подключения»). Эта система используется очень давно, и ее популярность неуклонно падает вследствие ее низкой эффективности, высокой стоимости и неоправданном расходе энергоресурсов. На сегодняшний день использовать такую систему можно разве что в небольших домиках, к которым не подведено электричество, что встречается довольно редко. 

Выбор схемы самотечного отопления

Схема самотечной системы отопления должна выбираться с учетом всех исходных данных. Если электричество в доме отсутствует, то это зачастую говорит о том, что магистральный газ тоже не подведен. Эти условия дают понять, что электрические и газовые котлы устанавливать невозможно, и единственным вариантом остается твердотопливный котел, работающий на любом виде твердого топлива.  Читайте также: «Плинтусная система отопления — оригинально и практично».

Как работает классическая однотрубная система? Прежде всего стоит понять, что каких-то сложностей в ее конструкции нет, но правильные расчет и установка отопления очень важны, поэтому для предельной ясности необходимы некоторые знания. Принцип работы однотрубной системы с естественной циркуляцией базируется на физическом явлении: при нагреве теплоносителя (воздуха или воды) теплая масса будет подниматься вверх, а холодная будет опускаться вниз.

Нагретая в котле вода двигается вверх по стояку, откуда она поступает в радиаторы, где и происходит процесс отдачи тепловой энергии. Сопровождающее этот процесс остывание становится причиной дальнейшего движения воды к следующим в контуре радиаторам. При постоянном остывании вода рано или поздно придет обратно в котле, где цикл нагрева-остывания будет возобновляться. 

Система естественной циркуляции не подразумевает наличия каких-либо дополнительных устройств, которые могут ускорить движение воды, поэтому для нормального функционирования самотечной отопительной системы необходимо соблюдать постоянный уклон при прокладке трубопровода. Эти операции можно выполнить самостоятельно, поскольку они не отличаются особой сложностью. Выходной канал должен быть выполнен с точностью до наоборот: наличие различных поворотов и изгибов стояка запрещено.

Конечно, полностью избежать различных стыков практически невозможно, но если стояк будет вертикальным, то такая система будет гораздо более эффективной. Нюанс: для создания поворота в стояке лучше всего брать минимальные углы. 

Хорошая циркуляция воды в немалой степени зависит и от диаметра труб для отопления частного дома, причем зависимость здесь прямая: чем больше внутреннее сечение трубы, тем проще будет осуществлять перемещение воды, поскольку сопротивление ее движению в таком случае будет снижено. Как правило, для однотрубного отопления используются трубы диаметром не менее дюйма, а сечение, составляющее полтора дюйма, является оптимальным в большинстве случаев.

Котел такой системы должен располагаться в самой нижней точке здания, а вот стояк необходимо расположить как можно выше, чтобы забор воды в радиаторы мог беспрепятственно осуществляться. Трубопровод должен иметь постоянный уклон в сторону котла: обычно этот показатель достаточно выдержать на уровне одного сантиметра на метр трубы. Именно это условие дает возможность реализовать самотечное отопление частного дома.

В самотечных отопительных системах обычно находится гораздо больше воды, чем в аналогах с принудительной циркуляцией, что обуславливается разными диаметрами трубопровода. Пару слов нужно сказать и о трубах: полиэтиленовых и полипропиленовые модели не подойдут, поскольку вода в трубах иногда достигает очень высоких температур, достаточных для плавления трубопровода.

Закипание жидкости в системе обычно происходит из-за невозможности контролировать температурный режим, вследствие чего котел может выдать слишком большое количество тепла. Именно поэтому лучше всего будет выбрать металлические трубы.  Читайте также: «Как устроена система отопления без насоса – варианты и способы устройства».

В результате получается довольно внушительный список недостатков, присущих самотечным отопительным системам:

1. Низкая эффективность;
2. Трудоемкий и затратный монтаж системы;
3. Отсутствие эстетических качеств;
4. Высокая стоимость расходных материалов. 

Кроме того, однотрубная система обладает некоторыми особенностями. Например, при подаче горячей воды в систему первый радиатор будет нагреваться гораздо сильнее, чем все последующие, поэтому количество секций в нем должно быть меньше. Это говорит о необходимости грамотного подбора радиаторов. Совсем не лишним элементом отопительной системы будет и расширительный бак, который предотвращает разрыв системы при чрезмерном нагревании теплоносителя. Читайте также: «Схема гравитационной системы отопления».

Заключение

Отопительная система, описанная в данной статье, имеет как положительные, так и отрицательные качества. Одним из самых больших ее минусов является невозможность регулировки температуры на отдельных отопительных приборах. Для ремонта такой системы придется сбрасывать ее целиком. Тем не менее, несмотря на все недостатки, самотечная система отопления является отличным решением в тех случаях, когда альтернативные варианты обогрева дома невозможны.

Самотечное отопление в доме

Очень весомым плюсом самотечной системы водяного отопления является ее независимость от наличия электроэнергии. Самотечное отопление может быть создано и на удаленной даче на основе энергонезависимого твердотопливного котла. Система бесшумная и надежная, она, несомненно, будет востребована и в будущем.

Наработан большой опыт создания самотечных систем отопления, ведь ранее все водяное отопление создавалось по принципу самотека. Система может быть создано по «типовой народной схеме» и своими руками.

Недостатками являются ограничения по мощности, отапливаемой площади, возможности подключения дополнительных контуров, при повышенной цене на создание.

Самотечное отопление обходится дороже, примерно в 2 раза по сравнению с системами принудительной циркуляции, так как требует большой диаметр труб и особенного размещения котла. Сложность при создании и в том, что трубы большого диаметра должны иметь общий уклон, а значит их положение фиксировано и поэтому они часто не вписываются в дизайн помещения, загромождают интерьер.

Как рассчитывается самотечная система

Можно заказать тепловой и гидравлический расчет у специалистов, в лицензированных организациях, но это обойдется недешево. Можно сделать эти расчеты приблизительно с помощью известных программ или вручную.

Но обычно пользуются общеизвестными рекомендациями и, как правило, этого вполне достаточно, чтобы создать работоспособную систему с самотеком жидкости.

Скорость движения жидкости по системе в любом случае не большая. Чем больше внутренние диаметры трубопровода и радиаторов, а также котла, тем большее количество жидкости будет проходить по ним, тем больше энергии сможет переноситься.

Важно ответить на вопрос — достаточно ли будет энергии переносить теплоноситель для отопления конкретного здания? В этом и заключается суть расчетов. Но если расчетов нет, то нужно обратиться к опыту создания подобного отопления и утепления зданий.

Потери энергии и обеспечение движения жидкости

Во первых, нужно определиться со степенью утепления здания, — соответствуют ли она требованиям нормативных документов. Если нет, то может не хватить мощности не только самотечной системы….. Обогреть холодное здание себе дороже, нужно утеплять, а не увеличивать мощность обогрева.

После того, как здание утеплено, можно обратиться к опыту создания подобных систем, откуда известно, что обычная предельная площадь самотечного обогрева составляет 150 м кв. на каждом этаже здания, при этом желательно распределение радиаторов на 2 плеча на каждом этаже, а длина подающего трубопровода каждого плеча не должна превышать 20 метров.

Обязательное условие для создания системы – превышение горячего теплоносителя (обычно принимается средняя линия радиаторов) над холодным (средняя линия теплообменника котла).

При большей длине трубопроводов, желателен бы расчет, или нужно мириться, что возможно, в пики морозов пропускной способности системы (скорости теплоносителя) может и не хватить что бы в здании было жарко.

Рассмотрим, отчего же будет зависеть работоспособность самотечной системы.

Особенности системы обогрева с естественной циркуляцией

Напор в самотечной системе будет напрямую зависеть от высоты водяного столба с разностью плотностей воды (разностью температур) и от самой разности плотностей воды. Формула напора приведена ниже.

Чем больше разность температур подачи и обратки, и чем выше водяной столб с этой разностью, тем быстрее будет циркулировать вода, тем больше тепла будет переноситься, тем надежнее система и большую площадь можно будет отопить.

Дело в том, что вода наиболее значительно остывает в радиаторах, до них она считается горячей. После радиаторов вода холодная движется по обратке к теплообменнику котла, где происходит ее нагрев. Следовательно, чем ниже находится теплообменник относительно радиаторов, тем больше будет напор в системе.

Кроме того, вода остывает и в самой трубе выходящей из котла, а это значит, что чем выше будет поднят горячий трубопровод, и чем он длиннее и больше отдает тепла, тем будет больше напор.

Впрочем, эта теплототдача будет иметь низкую эффективность для обогрева дома, если горячий трубопровод расположен под потолком. Лучше, если он находится вдоль пола отапливаемой массандры и является для нее отопительным прибором.

Не правильно делать просто высокий столб горячей воды, вынося расширительный бак выше крыши. Нужна наибольшая разность высот, на которой бы происходил перепад температур, а этого проще добиться опусканием котла.

Типичная ошибка при создании самотечной системы для 2-х этажей — подключение радиаторов на обоих этажах к одним стоякам. В результате на 1 этаже будет еще холодно, когда на 2 этаже уже очень жарко. Правильно для мансарды предусмотреть отдельное независимое плечо отопления со своим регулировочным вентилем.

Особенность системы:
— жидкость в самотечной системе обычно остывает значительно, вследствие небольшой скорости ее движения. Разница температур подачи и обратки чаще находится в пределах 25 — 30 градусов. Температурный режим, например, — 75град. выход из котла и 45 град. обратка. Поэтому недопустимо создавать схему с одним трубопроводом с последовательным подключением радиаторов. Подходят только попутная и тупиковая двухтрубные схемы разводки.

Как движется теплоноситель (вода)

Из вышесказанного вытекают и конструктивные особенности самотечной системы отопления.

Котел располагается в приямке, в подвале, во всяком случае, желательно, чтобы его теплообменник был ниже средней линии радиаторов.

Все трубопроводы делаются с общим уклоном по ходу движения жидкости:

• вода из котла поднимается по вертикальному стояку в самую верхнюю точку;
• от вертикального горячего стояка всегда должна вниз до входа в котел;
• разница высот между начальной и конечной точкой трубы не менее одного процента, но по длине уклон может меняться как угодно;
• всегда лучше обеспечивать максимальный уклон.

Какие применить трубы

Диаметр труб должен быть для подачи и обратки на одном крыле трубопровода не менее 32 мм, при этом радиаторы могут подключаться и трубами с внутренним диаметром 20 мм. А для стояка и подачи на крыло — не менее 50 мм. Впрочем никто не запрещает увеличить эти диаметры, что только сделает систему мощнее.

До сих пор оптимальным вариатном считаются обычные стальные трубы. При больших диаметрах они становятся конкурентноспособными пластику. К тому же стальная труба большого диаметра является и сама по себе отопительным прибором, ввиду значительной проводимости тепла металлом.

Котел, радиаторы, трубопровод

Применяется специальный котел (и газовый и твердотопливный) с собственным маленьким гидравлическим сопротивлением, предназначенный для самотечной системы.

Применяются радиаторы с низким гидравлическим сопротивлением, с большим диаметром внутренних отверстий — обычно или чугунные или алюминиевые.

В высшей точке трубопровода устанавливается клапан для стравливания воздуха (система под давлением с закрытым расширительным баком (гидроаккумулатором)). В систему встраивается на выходе из котла группа безопасности – манометр и аварийный клапан. Либо в высшей точке располагается расширительный бак открытого типа.

Сливной кран располагается в районе котла в низшей точке трубопровода, делается отвод либо в канализацию, либо на емкость.

Подборка котла по мощности ведется как обычно — в зависимости от теплопотерь здания, а радиаторов — от теплопотерь каждой комнаты где они устанавливаются.

При этом чаще пользуются правилом — радиаторы суммарно чуть мощнее котла (при этом учитывается, то что паспортная температура жидкости обычно больше реальной, т.е. радиторы приобретаются еще мощнее на 20 – 35 %), после чего общая мощность радиаторов распределяется по комнатам.

Схемы самотечного отопления на одно крыло

Типичная схема водяного отопления с самотечным движением жидкости. Здесь только лишь одно крыло. Горячий трубопровод располагается повыше, от него опускаются стояки вниз на каждый радиатор или на пару радиаторов. В схеме указан расширительный бак вместо гидроаккумулятора.

На практике часто подобные схемы реализуются так чтобы расширительный бак, верхний трубопровод располагались бы на чердаке а обратка часто опускается под пол в подвал. При этом трубопроводы меньше загромождают жилое пространство и не портят интерьер. Но тогда все трубопроводы в холодной зоне должны быть хорошо утеплены — слой не менее 15 см минеральной ваты. Пенопласт не подходит, так как его едят грызуны и его не стоит нагревать до 70 град.

Прокладка труб по чердаку

Подвариант данной схемы — обратка поднята вверх, так как не всегда есть возможность прокладывать ее понизу — мешают дверные проемы, нет подвала и т.д.

В небольшом доме

Вариант размещения радиаторов прямо возле котла. Это возможно лишь в климатических зонах с постоянной положительной температурой, и если окна достаточно утеплены (двойные стеклопакеты), и нет особой необходимости в создании тепловых завес путем размещения радиаторов под окнами. Схема применяется, когда нет возможности понизить уровень котла — максимально сокращаются трубопроводы.

Трубопровод на два крыла

Следующий пример более востребован в жизни. Чаще так и располагаются трубопроводы при самотечном движении жидкости в небольшом частном доме или на даче на уровне радиаторов с выдержкой общего уклона.

Трубопровод разделен на два крыла, которые желательно сделать одинаковой протяженностью. Все радиаторы подключаются через вентили для оперативной регулировки поступления воды.

Для двух этажей

Еще один пример «из жизни» разводки трубопроводов при самотечном движении жидкости. На этот раз отапливается полноценный этаж и мансарда.

Так как крыло мансарды маломощное, то оно включено трубопроводом меньшего диаметра — 25 мм. Здесь применяются стояки на каждую пару радиаторов в комнатах первого этажа, а горячий трубопровод проложен по полу мансарды и является для нее обогревающим элементом.

Схема требует создания достаточного напора, поэтому теплообменник котла располагается ниже средней линии радиаторов первого этажа минимум на пол метра.

Принципы и выводы

Можно разработать любое количество схем самотечного отопления в зависимости от конкретной планировки дома но всегда соблюдаются следующие принципы — максимально большой столб воды с перепадом температур, максимальные диаметры трубопроводов и специальные котлы и радиаторы, кольцо трубопроводов — «подача-радиатор-обратка» делаются как можно короче, для чего трубопровод разделяется на несколько плечей, которые подключаются к котлу параллельно.

Также важно: — если самотечное отопление в доме создавалось самостоятельно, или владельцы принимали активное участие в его создании, то и все выявленные недостатки в процессе эксплуатации могут быть исправлены своими руками или система может быть без особых затрат доработана, при выявлении ее недостатков.

Схемы отопления – попутка, тупиковая, коллекторная и др. Сравнение и выбор

Для дома нужно подобрать подходящую схему отопления, чтобы она надежно работала весь период эксплуатации, не была излишне дорогой. Схема разводки отопительных трубопроводов подбирается под конкретную планировку здания. На выбор влияют размещение котельной относительно других комнат, этажность здания, отапливаемая площадь, размещение комнат и их теплопотери и др.

Чтобы определиться с выбором подходящей отопительной схемы, рассмотрим какие системы отопления бывают, их достоинства и недостатки и области применения.

Начнем с самых популярных схем, которые применяются наиболее часто и рекомендуются специалистами для создания отопления в частных домах и квартирах. В них предусматривается установка насосов для циркуляции жидкости. Самотечную систему рассмотрим последней.

Попутная разводка отопительного трубопровода

«Попутка» является универсальной двухтрубной схемой разводки отопительного трубопровода. Подача (горячий трубопровод) от отопительного котла прокладывается по периметру всего здания и к нему последовательно подключаются радиаторы, а заканчивается она на последнем по ходу движения жидкости радиаторе.

Обратка начинается с первого радиатора, к ней попутно подключаются остальные радиаторы и она возвращает теплоноситель обратно в котел.

Из схемы видно, что для каждого радиатора суммарная протяженность подачи и обратки будет примерно одинаковой, поэтому все радиаторы работают в примерно одних и тех же гидравлических условиях.

Схема наилучшим образом подходит для больших площадей отопления, так как позволяет максимально упростить всю разводку для большого здания. В подающем трубопроводе и будет происходить некоторое снижение температуры жидкости, но в данном случае это не критично.

Диаметр основных труб требуется повышенный, в зависимости от подключенной к ним тепловой мощности, чтобы скорость теплоносителя не превышала максимальные рекомендуемые значения (0,7 м/с) при наибольшей нагрузке.

Это обстоятельство значительно удорожает систему, потому что большие фитинги дороже, попутка хоть и самая стабильная, но не самая дешевая.

Тупиковая схема включения радиаторов

Тупиковая схема состоит из двух или нескольких плечей (ветвей, направлений, тупиков…), приблизительно одинаковых по протяженности и по подключенной мощности радиаторов. В ней можно применить более тонкие трубы, так как длина плечей не большая, она ограничена по количеству радиаторов, что и делает систему дешевле.

Подача в каждом плече прокладывается до последнего радиатора, параллельно ей проводится и обратка до котла, или до стояка на каждом этаже.

Разводка может применяться и в маленьких дома и в больших, является универсальной и надежной, но лучше всего ее удается реализовать в домах небольших или средней площади – до 200 м кв. Что бы в каждом плече было не более чем по 5 радиаторов, тогда меньше проблем с их отладкой.

Важно соблюсти примерное равенство мощностей и гидравлических сопротивлений в каждом плече (по 5 а не 6 и 4). Разница в длине двух труб (подача и обратка) между плечами не должна превышать 20 метров.

Коллекторная (лучевая) разводка отопительного трубопровода

В центре дома устанавливается коллектор, к которому парами тонких трубопроводов (подача и обратка) подключаются все радиаторы.

Здесь трубы чаще прячутся под полом и недоступны для обслуживания, так как иначе выполнить разводу не представляется возможным. Недостатки – сложность прокладки трубопроводов с учетом теплоизоляции, трудность регулировки системы.

Обязательно должно быть примерное равенство гидравлических сопротивлений каждой ветви, отходящей от коллектора, иначе система будет разнотемпературной.

Схеме присущи сложность балансировки и не желательность изменения параметров системы «самостоятельно», так как каждая ветвь влияет на все другие подключения в коллекторе. Поэтому при неграмотной регулировке тепло может «пропасть» из какой-то комнаты.

Достоинства – меньшая стоимость, целесообразность монтажа при толстом пироге чернового пола, так как диаметры труб не большие. Отсутствие множества труб в видимой части интерьера.

Однотрубное отопление — «ленинградка»

Здесь действительно имеется экономия на длине трубопровода, но она не большая. Также один трубопровод большого диаметра, проложенный у пола (под полом в теплоизоляторе), меньше портит дизайн по сравнению с двухтрубными системами.

Радиаторы подключаются последовательно по длине трубопровода. Циркуляция жидкости в них за счет конвекции, за счет сопротивления в трубопроводе по длине подключения, которое создается искусственно уменьшением диаметра и др.

Каждый из радиаторов забирает энергию, охлаждая жидкость. В итоге к последнему радиатору приходит наиболее охлажденный теплоноситель.

Бороться с этим явлением можно уменьшая длину трубопровода, а также увеличивая диаметр труб, и создавая в нем большую скорость движения воды, уменьшая, таким образом, разность температур между подачей и обраткой (но скорость не может превышать допустимые значения по шуму для данного диаметра).

Также, по ходу движения жидкости просто увеличивают мощность радиаторов, чтобы компенсировать потери температуры. По сути, схема эффективно может применяться, лишь в небольших до 200 м кв. площадях на одно кольцо.

Система применяется не часто, так как проигрывает остальным по распределению энергии, потреблению электричества для создания скорости струи, а также из-за сложности регулировки и нестабильности работы, так как один радиатор влияет на работу других. Кроме того, система в итоге дороже из-за большого диаметра трубы.

Самотечное отопление

Сверхдостоинство самотечной схемы — не нужно электричество для движения жидкости. Кроме того, как правило, работа системы стабильна и безотказна.

Но она не может применяться на больших площадях, так как естественного теплового напора не хватает, чтобы вода циркулировала с должной скоростью, которая необходима для подачи нужного количества тепла к радиаторам. Обычная максимальная площадь одного этажа, где может быть применима самотечная схема — не более 150 м кв на 1 этаж.
К ней нельзя подключить дополнительные контура с насосами, например обогрев гаража или теплый пол.

Но при должной разности высотных отметок горячей и холодной воды, а также при больших диаметрах трубопровада, площадь может быть большей, что проверяется расчетом.

Также система самотеком обычно обходится дороже в 2 раза, чем схемы с насосом:

• Требуется большой диаметр трубопроводов и их фитингов для уменьшения гидравлического сопротивления.
• Как правило, применяются стальные трубопроводы, обеспечивающие этот самый большой внутренний диаметр, которые ржавеют и сложны в монтаже.
• Котел устанавливается в приямке (в отапливаемом подвале) чтобы быть ниже радиаторов, чем и создается напор от разности температур.
• Кроме того, наличие множества толстых труб, которые должны иметь определенную начальную и конечную высотные отметки, может значительно подпортить внутренний интерьер.

Схема востребована на удаленных дачах, в местах с нестабильным энергоснабжением, пользуется популярностью «по привычке», так как люди бояться отключений электроэнергии и т.п.

Какую схему отопления предпочесть

• Для большого дома чаще проектируют попутную схему разводки отопительного трубопровода, стабильную и простую.
• В домах поменьше чаще стараются сэкономить, и делается более дешевая, стабильно работающая, но несколько более сложная плечевая схема разводки. При этом плечи создаются приблизительно одинаковыми по характеристикам.
• Лучевая разводка отопления находит все больше сторонников в связи с применением высоких окон, обогреваемых полов, внутрипольных конвекторов. При этом создается вместительное основание пола в котором иногда дешевле проложить тонкие трубы к каждому обогревателю от единого коллектора на этаже.
• От «ленинградки» специалисты не в восторге из-за их нестабильной работы и сложности проектирования и налаживания. Не стоит усложнять, и искать проблемы «на ровном месте», это касается и отопления.

Если возможны перебои с электроэнергией, то для частного дома нужно приобрести и подключить элеткрогенератор , который должен быть в рабочем состоянии всю зиму. А если обеспечить работу системы не возможно, то в нее необходимо заливать незамерзающую жидкость.

Для твердотопливных котлов, которые не прекращают работу при отключении электроэнергии, насос системы отопления необходимо подключать к «бесперебойнику», чтобы обеспечивалась циркуляция жидкости несколько часов в аварийной обстановке.

А если этим всем заниматься не хочется, а электроэнергия не стабильна, то выручит самотечная система со своей схемой разводки. Правда она сгодится только на небольшой дом при ее создании придется потрудиться и излишне потратится.

Самотечная система отопления из полипропилена

Система отопления с естественной циркуляцией: принцип работы и варианты реализации

Как работает система водяного отопления с естественной циркуляцией? Каковы основные принципы ее монтажа?

Какие основные схемы можно реализовать, не прибегая к помощи циркуляционного насоса? Давайте постараемся выяснить.

А если выбросить из этой схемы насос?

Что это такое

Если для системы с принудительной циркуляций нужен перепад давлений, создаваемый циркуляционным насосом или обеспеченный подключением к теплотрассе, то здесь картина иная. Отопление естественной циркуляцией использует простой физический эффект — расширение жидкости при нагреве.

Если отбросить технические тонкости, принципиальная схема работы такова:

• Котел нагревает некий объем воды. Так, понятное дело, расширяется и, благодаря меньшей плотности, вытесняется более холодной массой теплоносителя вверх.
• Поднявшись в верхнюю точку отопительной системы, вода, постепенно остывая, самотеком описывает круг по системе отопления и возвращается к котлу. При этом она отдает тепло отопительным приборам и к тому моменту, когда снова оказывается у теплообменника, имеет большую плотность, чем вначале. Далее цикл повторяется.

Полезно: понятное дело, ничто не мешает включить в схему циркуляционный насос. В штатном режиме он будет обеспечивать более быструю циркуляцию воды и равномерный прогрев, а при отсутствии электричества отопительная система будет работать с естественной циркуляцией.

Работа насоса в естественной системе циркуляции.

На фото видно, как решена проблема взаимодействия насоса и системы естественной циркуляции. При работе насоса срабатывает обратный клапан, и вся вода идет через насос. Стоит его выключить — клапан открывается, и по более толстой трубе вода циркулирует за счет теплового расширения.

Общая информация

Основные моменты

• Отсутствие циркуляционного насоса и вообще подвижных элементов и замкнутый контур, в котором количество взвесей и минеральных солей конечно, делает срок службы системы отопления этого типа весьма продолжительным. При использовании оцинкованных или полимерных труб и биметаллических радиаторов — не менее полувека.
• Естественная циркуляция отопления означает довольно небольшой перепад давлений. Трубы и отопительные приборы неизбежно оказывают движению теплоносителя определенное сопротивление. Именно поэтому рекомендованный радиус интересующей нас системы отопления оценивается примерно в 30 метров. Понятно, это не означает, что при радиусе в 32 метра вода застынет — граница довольно условна.
• Инерционность системы будет довольно большой. Между растопкой или запуском котла и стабилизацией температуры во всех отапливаемых помещениях может пройти несколько часов. Причины понятны: котлу предстоит прогреть теплообменник, и лишь тогда вода начнет циркулировать, причем довольно медленно.
• Все горизонтальные участки трубопроводов делаются с обязательным уклоном по ходу движения воды. Он обеспечит свободное движение остывающей воды самотеком с минимальным сопротивлением. Что не менее важно — в этом случае все воздушные пробки будут вытеснены в верхнюю точку отопительной системы, где монтируется расширительный бачок — герметичный, с воздушником, или открытый.

Весь воздух соберется в верхней точке.

Саморегуляция

Отопление дома с естественной циркуляцией — саморегулирующаяся система. Чем холоднее в доме, тем быстрее циркулирует теплоноситель. Как это работает?

Дело в том, что циркуляционный напор зависит от:

• Разницы в высоте между котлом и нижним отопительным прибором. Чем ниже котел относительно нижнего радиатора — тем быстрее вода будет переливаться в него самотеком. Принцип сообщающихся сосудов, помните? Этот параметр стабилен и неизменен в процессе работы отопительной системы.

Схема демонстрирует принцип работы отопления наглядно.

Любопытно: именно поэтому отопительный котел рекомендуется устанавливать в подвале или просто как можно ниже внутри помещения. Однако автору доводилось видеть прекрасно функционирующую систему отопления, в которой теплообменник в топке печи был заметно выше радиаторов. Система была полностью рабочей.

• Разницы в плотности воды на выходе из котла и в обратном трубопроводе. Которая, понятно, определяется температурой воды. И вот именно благодаря этой особенности естественное отопление делается саморегулирующимся: как только температура в помещении падает, отопительные приборы остывают.

С падением температуры теплоносителя его плотность увеличивается, и он начинает быстрее вытеснять нагретую воду из нижней части контура.

Скорость циркуляции

Помимо напора, скорость циркуляции теплоносителя будет определяться рядом других факторов.

• Диаметром труб разводки. Чем меньше внутреннее сечение трубы, тем большее сопротивление она будет оказывать движению жидкости в ней. Именно поэтому для разводки в случае естественной циркуляции берутся трубы с намерено завышенным диаметром — ДУ32 — ДУ40.
• Материалом трубы. Сталь (особенно поврежденная коррозией и покрытая отложениями) оказывает потоку в несколько раз большее сопротивление, чем, к примеру, полипропиленовая труба с тем же сечением.
• Количеством и радиусом поворотов. Поэтому основную разводку по возможности лучше делать максимально прямой.
• Наличием, количеством и типом запорной арматуры. разнообразных подпорных шайб и переходов диаметра трубы.

Каждый вентиль, каждый изгиб вызывает падение напора.

Именно из-за обилия переменных точный расчет системы отопления с естественной циркуляцией выполняется крайне редко и дает весьма приблизительные результаты. На практике же достаточно воспользоваться уже приведенными рекомендациями.

Расчет мощности

Эффективная тепловая мощность котла рассчитывается теми же способами, что и во всех других случаях.

По площади

Простейший способ — рекомендованный СНиП расчет по площади помещения. 1 КВт тепловой мощности должен приходиться на 10 м2 площади помещения. Для южных районов берется коэффициент 0,7 — 0,9, для средней полосы страны — 1,2 — 1,3, для районов Крайнего Севера — 1,5-2,0.

Как и любой грубый подсчет, этот способ пренебрегает многими факторами:

• Высотой потолков. Она далеко не везде составляет стандартные 2,5 метра.
• Утечками тепла через проемы.
• Расположением помещения внутри дома или у внешних стен.

Все способы расчетов дают большие погрешности, поэтому тепловая мощность обычно закладывается в проект с некоторым запасом.

По объему с учетом дополнительных факторов

Более точную картину даст другой способ расчета.

• За основу берется тепловая мощность в 40 ватт на кубический метр объема воздуха в помещении.
• Районные коэффициенты действуют и в этом случае.
• Каждое окно стандартного размера прибавляет к нашим подсчетам 100 ватт. Каждая дверь — 200.
• Расположение комнаты у внешней стены даст в зависимости от ее толщины и материала коэффициент 1,1 — 1,3.
• Частный дом, у которого внизу и вверху — не теплые соседние квартиры, а улица, рассчитывается с коэффициентом 1,5.

Однако: и этот расчет будет ОЧЕНЬ приблизительным. Достаточно сказать, что в частных домах, построенных по энергосберегающим технологиям, в проект закладывается мощность обогрева в 50-60 ватт на КВАДРАТНЫЙ метр. Слишком многое определяется утечками тепла через стены и перекрытия.

Схемы разводки

Конкретных примеров и схем того, как может быть реализовано отопление с естественной циркуляцией своими руками, ОЧЕНЬ много. Мы приведем по одному примеру простейших решений для двухтрубной и однотрубной разводки.

Двухтрубная

Разводка двухтрубного отопления с естественной циркуляцией.

Обозначения на схеме:

1. Отопительный котел.
2. Расширительный бак, который служит для компенсации изменения объема теплоносителя при колебаниях температуры и собирает вытесненный воздух.
3. Отопительные приборы — конвектора или радиаторы.

Т1 — нагретая котлом вода, Т2 — остывшая. Красными и синими стрелками показано направление движения теплоносителя.

Здесь при разводке актуальны те же основные принципы, которые были перечислены выше:

• Котел устанавливается по возможности ниже радиаторов.
• По току воды делается уклон в 5-7 градусов.
• Розливы там, где от них запитаны несколько радиаторов, выполняются трубой не ниже ДУ32 мм. Желательно — полимерной или металлопластиковой. Подводки к радиаторам традиционно выполняются трубой ДУ20.

Важно: не путайте ДУ, примерно равной внутреннему сечению трубы, с ее внешним диаметром. В случае полипропилена внешний диаметр 32 миллиметра соответствует всего-то ДУ20.

Двухтрубное отопление частного дома с естественной циркуляцией при правильно подобранных диаметрах труб не требует балансировки, однако дроссели на подводках к радиаторам не помешают.

Наличие двух контуров по всему периметру дома будет довольно накладным: цена полипропиленовых армированных труб не так уж мала, да и сам монтаж займет значительное время. Поэтому для большинства одноэтажных домов применяется однотрубная разводка.

Однотрубная

Простейшая однотрубная схема барачного типа — Ленинградка.

Уклон и диаметр труб здесь такие же. Есть несколько нюансов, важных именно для этой схемы.

• Радиаторы не разрывают основное кольцо, а врезаются параллельно ему. Не переживайте, что в отопительных приборах не будет циркуляции — опыт доказывает обратное.
• Помимо расширительного бачка, воздушником снабжается каждый радиатор. Собственно, если не стравливать воздух полностью из одного отопительного прибора — без расширительного бачка и вовсе прекрасно можно обойтись. Если, конечно, система отопления закрытого типа (изолированная от атмосферного воздуха).
• Дроссели или термоголовки помогут выровнять температуру ближних к котлу и дальних радиаторов.

Вариант однотрубной схемы для двухэтажного дома с котлом в подвале.

Заключение

Дополнительная информация о системах отопления с естественной циркуляцией, как всегда, в видео в конце статьи. Теплых зим!

Самотечное отопление в доме

Очень весомым плюсом самотечной системы водяного отопления является ее независимость от наличия электроэнергии. Самотечное отопление может быть создано и на удаленной даче на основе энергонезависимого твердотопливного котла. Система бесшумная и надежная, она, несомненно, будет востребована и в будущем.

Наработан большой опыт создания самотечных систем отопления, ведь ранее все водяное отопление создавалось по принципу самотека. Система может быть создано по «типовой народной схеме» и своими руками.

Недостатками являются ограничения по мощности, отапливаемой площади, возможности подключения дополнительных контуров, при повышенной цене на создание.

Самотечное отопление обходится дороже, примерно в 2 раза по сравнению с системами принудительной циркуляции, так как требует большой диаметр труб и особенного размещения котла. Сложность при создании и в том, что трубы большого диаметра должны иметь общий уклон, а значит их положение фиксировано и поэтому они часто не вписываются в дизайн помещения, загромождают интерьер.

Как рассчитывается самотечная система

Можно заказать тепловой и гидравлический расчет у специалистов, в лицензированных организациях, но это обойдется недешево. Можно сделать эти расчеты приблизительно с помощью известных программ или вручную.

Но обычно пользуются общеизвестными рекомендациями и, как правило, этого вполне достаточно, чтобы создать работоспособную систему с самотеком жидкости.

Скорость движения жидкости по системе в любом случае не большая. Чем больше внутренние диаметры трубопровода и радиаторов, а также котла, тем большее количество жидкости будет проходить по ним, тем больше энергии сможет переноситься.

Важно ответить на вопрос — достаточно ли будет энергии переносить теплоноситель для отопления конкретного здания? В этом и заключается суть расчетов. Но если расчетов нет, то нужно обратиться к опыту создания подобного отопления и утепления зданий.

Потери энергии и обеспечение движения жидкости

Во первых, нужно определиться со степенью утепления здания, — соответствуют ли она требованиям нормативных документов. Если нет, то может не хватить мощности не только самотечной системы….. Обогреть холодное здание себе дороже, нужно утеплять, а не увеличивать мощность обогрева.

После того, как здание утеплено, можно обратиться к опыту создания подобных систем, откуда известно, что обычная предельная площадь самотечного обогрева составляет 150 м кв. на каждом этаже здания, при этом желательно распределение радиаторов на 2 плеча на каждом этаже, а длина подающего трубопровода каждого плеча не должна превышать 20 метров.

Обязательное условие для создания системы – превышение горячего теплоносителя (обычно принимается средняя линия радиаторов) над холодным (средняя линия теплообменника котла).

При большей длине трубопроводов, желателен бы расчет, или нужно мириться, что возможно, в пики морозов пропускной способности системы (скорости теплоносителя) может и не хватить что бы в здании было жарко.

Рассмотрим, отчего же будет зависеть работоспособность самотечной системы.

Особенности системы обогрева с естественной циркуляцией

Напор в самотечной системе будет напрямую зависеть от высоты водяного столба с разностью плотностей воды (разностью температур) и от самой разности плотностей воды. Формула напора приведена ниже.

Чем больше разность температур подачи и обратки, и чем выше водяной столб с этой разностью, тем быстрее будет циркулировать вода, тем больше тепла будет переноситься, тем надежнее система и большую площадь можно будет отопить.

Дело в том, что вода наиболее значительно остывает в радиаторах, до них она считается горячей. После радиаторов вода холодная движется по обратке к теплообменнику котла, где происходит ее нагрев. Следовательно, чем ниже находится теплообменник относительно радиаторов, тем больше будет напор в системе.

Кроме того, вода остывает и в самой трубе выходящей из котла, а это значит, что чем выше будет поднят горячий трубопровод, и чем он длиннее и больше отдает тепла, тем будет больше напор.

Впрочем, эта теплототдача будет иметь низкую эффективность для обогрева дома, если горячий трубопровод расположен под потолком. Лучше, если он находится вдоль пола отапливаемой массандры и является для нее отопительным прибором.

Не правильно делать просто высокий столб горячей воды, вынося расширительный бак выше крыши. Нужна наибольшая разность высот, на которой бы происходил перепад температур, а этого проще добиться опусканием котла.

Типичная ошибка при создании самотечной системы для 2-х этажей — подключение радиаторов на обоих этажах к одним стоякам. В результате на 1 этаже будет еще холодно, когда на 2 этаже уже очень жарко. Правильно для мансарды предусмотреть отдельное независимое плечо отопления со своим регулировочным вентилем.

Особенность системы:
— жидкость в самотечной системе обычно остывает значительно, вследствие небольшой скорости ее движения. Разница температур подачи и обратки чаще находится в пределах 25 — 30 градусов. Температурный режим, например, — 75град. выход из котла и 45 град. обратка. Поэтому недопустимо создавать схему с одним трубопроводом с последовательным подключением радиаторов. Подходят только попутная и тупиковая двухтрубные схемы разводки.

Как движется теплоноситель (вода)

Из вышесказанного вытекают и конструктивные особенности самотечной системы отопления.

Котел располагается в приямке, в подвале, во всяком случае, желательно, чтобы его теплообменник был ниже средней линии радиаторов.

Все трубопроводы делаются с общим уклоном по ходу движения жидкости:

• вода из котла поднимается по вертикальному стояку в самую верхнюю точку;
• от вертикального горячего стояка всегда должна вниз до входа в котел;
• разница высот между начальной и конечной точкой трубы не менее одного процента, но по длине уклон может меняться как угодно;
• всегда лучше обеспечивать максимальный уклон.

Какие применить трубы

Диаметр труб должен быть для подачи и обратки на одном крыле трубопровода не менее 32 мм, при этом радиаторы могут подключаться и трубами с внутренним диаметром 20 мм. А для стояка и подачи на крыло — не менее 50 мм. Впрочем никто не запрещает увеличить эти диаметры, что только сделает систему мощнее.

До сих пор оптимальным вариатном считаются обычные стальные трубы. При больших диаметрах они становятся конкурентноспособными пластику. К тому же стальная труба большого диаметра является и сама по себе отопительным прибором, ввиду значительной проводимости тепла металлом.

Котел, радиаторы, трубопровод

Применяется специальный котел (и газовый и твердотопливный) с собственным маленьким гидравлическим сопротивлением, предназначенный для самотечной системы.

Применяются радиаторы с низким гидравлическим сопротивлением, с большим диаметром внутренних отверстий — обычно или чугунные или алюминиевые.

В высшей точке трубопровода устанавливается клапан для стравливания воздуха (система под давлением с закрытым расширительным баком (гидроаккумулатором)). В систему встраивается на выходе из котла группа безопасности – манометр и аварийный клапан. Либо в высшей точке располагается расширительный бак открытого типа.

Сливной кран располагается в районе котла в низшей точке трубопровода, делается отвод либо в канализацию, либо на емкость.

Подборка котла по мощности ведется как обычно — в зависимости от теплопотерь здания, а радиаторов — от теплопотерь каждой комнаты где они устанавливаются.

При этом чаще пользуются правилом — радиаторы суммарно чуть мощнее котла (при этом учитывается, то что паспортная температура жидкости обычно больше реальной, т.е. радиторы приобретаются еще мощнее на 20 – 35 %), после чего общая мощность радиаторов распределяется по комнатам.

Схемы самотечного отопления на одно крыло

Типичная схема водяного отопления с самотечным движением жидкости. Здесь только лишь одно крыло. Горячий трубопровод располагается повыше, от него опускаются стояки вниз на каждый радиатор или на пару радиаторов. В схеме указан расширительный бак вместо гидроаккумулятора.

На практике часто подобные схемы реализуются так чтобы расширительный бак, верхний трубопровод располагались бы на чердаке а обратка часто опускается под пол в подвал. При этом трубопроводы меньше загромождают жилое пространство и не портят интерьер. Но тогда все трубопроводы в холодной зоне должны быть хорошо утеплены — слой не менее 15 см минеральной ваты. Пенопласт не подходит, так как его едят грызуны и его не стоит нагревать до 70 град.

Прокладка труб по чердаку

Подвариант данной схемы — обратка поднята вверх, так как не всегда есть возможность прокладывать ее понизу — мешают дверные проемы, нет подвала и т.д.

В небольшом доме

Вариант размещения радиаторов прямо возле котла. Это возможно лишь в климатических зонах с постоянной положительной температурой, и если окна достаточно утеплены (двойные стеклопакеты), и нет особой необходимости в создании тепловых завес путем размещения радиаторов под окнами. Схема применяется, когда нет возможности понизить уровень котла — максимально сокращаются трубопроводы.

Трубопровод на два крыла

Следующий пример более востребован в жизни. Чаще так и располагаются трубопроводы при самотечном движении жидкости в небольшом частном доме или на даче на уровне радиаторов с выдержкой общего уклона.

Трубопровод разделен на два крыла, которые желательно сделать одинаковой протяженностью. Все радиаторы подключаются через вентили для оперативной регулировки поступления воды.

Для двух этажей

Еще один пример «из жизни» разводки трубопроводов при самотечном движении жидкости. На этот раз отапливается полноценный этаж и мансарда.

Так как крыло мансарды маломощное, то оно включено трубопроводом меньшего диаметра — 25 мм. Здесь применяются стояки на каждую пару радиаторов в комнатах первого этажа, а горячий трубопровод проложен по полу мансарды и является для нее обогревающим элементом.

Схема требует создания достаточного напора, поэтому теплообменник котла располагается ниже средней линии радиаторов первого этажа минимум на пол метра.

Принципы и выводы

Можно разработать любое количество схем самотечного отопления в зависимости от конкретной планировки дома но всегда соблюдаются следующие принципы — максимально большой столб воды с перепадом температур, максимальные диаметры трубопроводов и специальные котлы и радиаторы, кольцо трубопроводов — «подача-радиатор-обратка» делаются как можно короче, для чего трубопровод разделяется на несколько плечей, которые подключаются к котлу параллельно.

Также важно: — если самотечное отопление в доме создавалось самостоятельно, или владельцы принимали активное участие в его создании, то и все выявленные недостатки в процессе эксплуатации могут быть исправлены своими руками или система может быть без особых затрат доработана, при выявлении ее недостатков.

Схемы отопления – попутка, тупиковая, коллекторная и др. Сравнение и выбор

Для дома нужно подобрать подходящую схему отопления, чтобы она надежно работала весь период эксплуатации, не была излишне дорогой. Схема разводки отопительных трубопроводов подбирается под конкретную планировку здания. На выбор влияют размещение котельной относительно других комнат, этажность здания, отапливаемая площадь, размещение комнат и их теплопотери и др.

Чтобы определиться с выбором подходящей отопительной схемы, рассмотрим какие системы отопления бывают, их достоинства и недостатки и области применения.

Начнем с самых популярных схем, которые применяются наиболее часто и рекомендуются специалистами для создания отопления в частных домах и квартирах. В них предусматривается установка насосов для циркуляции жидкости. Самотечную систему рассмотрим последней.

Попутная разводка отопительного трубопровода

«Попутка» является универсальной двухтрубной схемой разводки отопительного трубопровода. Подача (горячий трубопровод) от отопительного котла прокладывается по периметру всего здания и к нему последовательно подключаются радиаторы, а заканчивается она на последнем по ходу движения жидкости радиаторе.

Обратка начинается с первого радиатора, к ней попутно подключаются остальные радиаторы и она возвращает теплоноситель обратно в котел.

Из схемы видно, что для каждого радиатора суммарная протяженность подачи и обратки будет примерно одинаковой, поэтому все радиаторы работают в примерно одних и тех же гидравлических условиях.

Схема наилучшим образом подходит для больших площадей отопления, так как позволяет максимально упростить всю разводку для большого здания. В подающем трубопроводе и будет происходить некоторое снижение температуры жидкости, но в данном случае это не критично.

Диаметр основных труб требуется повышенный, в зависимости от подключенной к ним тепловой мощности, чтобы скорость теплоносителя не превышала максимальные рекомендуемые значения (0,7 м/с) при наибольшей нагрузке.

Это обстоятельство значительно удорожает систему, потому что большие фитинги дороже, попутка хоть и самая стабильная, но не самая дешевая.

Тупиковая схема включения радиаторов

Тупиковая схема состоит из двух или нескольких плечей (ветвей, направлений, тупиков…), приблизительно одинаковых по протяженности и по подключенной мощности радиаторов. В ней можно применить более тонкие трубы, так как длина плечей не большая, она ограничена по количеству радиаторов, что и делает систему дешевле.

Подача в каждом плече прокладывается до последнего радиатора, параллельно ей проводится и обратка до котла, или до стояка на каждом этаже.

Разводка может применяться и в маленьких дома и в больших, является универсальной и надежной, но лучше всего ее удается реализовать в домах небольших или средней площади – до 200 м кв. Что бы в каждом плече было не более чем по 5 радиаторов, тогда меньше проблем с их отладкой.

Важно соблюсти примерное равенство мощностей и гидравлических сопротивлений в каждом плече (по 5 а не 6 и 4). Разница в длине двух труб (подача и обратка) между плечами не должна превышать 20 метров.

Коллекторная (лучевая) разводка отопительного трубопровода

В центре дома устанавливается коллектор, к которому парами тонких трубопроводов (подача и обратка) подключаются все радиаторы.

Здесь трубы чаще прячутся под полом и недоступны для обслуживания, так как иначе выполнить разводу не представляется возможным. Недостатки – сложность прокладки трубопроводов с учетом теплоизоляции, трудность регулировки системы.

Обязательно должно быть примерное равенство гидравлических сопротивлений каждой ветви, отходящей от коллектора, иначе система будет разнотемпературной.

Схеме присущи сложность балансировки и не желательность изменения параметров системы «самостоятельно», так как каждая ветвь влияет на все другие подключения в коллекторе. Поэтому при неграмотной регулировке тепло может «пропасть» из какой-то комнаты.

Достоинства – меньшая стоимость, целесообразность монтажа при толстом пироге чернового пола, так как диаметры труб не большие. Отсутствие множества труб в видимой части интерьера.

Однотрубное отопление — «ленинградка»

Здесь действительно имеется экономия на длине трубопровода, но она не большая. Также один трубопровод большого диаметра, проложенный у пола (под полом в теплоизоляторе), меньше портит дизайн по сравнению с двухтрубными системами.

Радиаторы подключаются последовательно по длине трубопровода. Циркуляция жидкости в них за счет конвекции, за счет сопротивления в трубопроводе по длине подключения, которое создается искусственно уменьшением диаметра и др.

Каждый из радиаторов забирает энергию, охлаждая жидкость. В итоге к последнему радиатору приходит наиболее охлажденный теплоноситель.

Бороться с этим явлением можно уменьшая длину трубопровода, а также увеличивая диаметр труб, и создавая в нем большую скорость движения воды, уменьшая, таким образом, разность температур между подачей и обраткой (но скорость не может превышать допустимые значения по шуму для данного диаметра).

Также, по ходу движения жидкости просто увеличивают мощность радиаторов, чтобы компенсировать потери температуры. По сути, схема эффективно может применяться, лишь в небольших до 200 м кв. площадях на одно кольцо.

Система применяется не часто, так как проигрывает остальным по распределению энергии, потреблению электричества для создания скорости струи, а также из-за сложности регулировки и нестабильности работы, так как один радиатор влияет на работу других. Кроме того, система в итоге дороже из-за большого диаметра трубы.

Самотечное отопление

Сверхдостоинство самотечной схемы — не нужно электричество для движения жидкости. Кроме того, как правило, работа системы стабильна и безотказна.

Но она не может применяться на больших площадях, так как естественного теплового напора не хватает, чтобы вода циркулировала с должной скоростью, которая необходима для подачи нужного количества тепла к радиаторам. Обычная максимальная площадь одного этажа, где может быть применима самотечная схема — не более 150 м кв на 1 этаж.
К ней нельзя подключить дополнительные контура с насосами, например обогрев гаража или теплый пол.

Но при должной разности высотных отметок горячей и холодной воды, а также при больших диаметрах трубопровада, площадь может быть большей, что проверяется расчетом.

Также система самотеком обычно обходится дороже в 2 раза, чем схемы с насосом:

• Требуется большой диаметр трубопроводов и их фитингов для уменьшения гидравлического сопротивления.
• Как правило, применяются стальные трубопроводы, обеспечивающие этот самый большой внутренний диаметр, которые ржавеют и сложны в монтаже.
• Котел устанавливается в приямке (в отапливаемом подвале) чтобы быть ниже радиаторов, чем и создается напор от разности температур.
• Кроме того, наличие множества толстых труб, которые должны иметь определенную начальную и конечную высотные отметки, может значительно подпортить внутренний интерьер.

Схема востребована на удаленных дачах, в местах с нестабильным энергоснабжением, пользуется популярностью «по привычке», так как люди бояться отключений электроэнергии и т.п.

Какую схему отопления предпочесть

• Для большого дома чаще проектируют попутную схему разводки отопительного трубопровода, стабильную и простую.
• В домах поменьше чаще стараются сэкономить, и делается более дешевая, стабильно работающая, но несколько более сложная плечевая схема разводки. При этом плечи создаются приблизительно одинаковыми по характеристикам.
• Лучевая разводка отопления находит все больше сторонников в связи с применением высоких окон, обогреваемых полов, внутрипольных конвекторов. При этом создается вместительное основание пола в котором иногда дешевле проложить тонкие трубы к каждому обогревателю от единого коллектора на этаже.
• От «ленинградки» специалисты не в восторге из-за их нестабильной работы и сложности проектирования и налаживания. Не стоит усложнять, и искать проблемы «на ровном месте», это касается и отопления.

Если возможны перебои с электроэнергией, то для частного дома нужно приобрести и подключить элеткрогенератор , который должен быть в рабочем состоянии всю зиму. А если обеспечить работу системы не возможно, то в нее необходимо заливать незамерзающую жидкость.

Для твердотопливных котлов, которые не прекращают работу при отключении электроэнергии, насос системы отопления необходимо подключать к «бесперебойнику», чтобы обеспечивалась циркуляция жидкости несколько часов в аварийной обстановке.

А если этим всем заниматься не хочется, а электроэнергия не стабильна, то выручит самотечная система со своей схемой разводки. Правда она сгодится только на небольшой дом при ее создании придется потрудиться и излишне потратится.

Самотечная система отопления из полипропилена

Система отопления с естественной циркуляцией: принцип работы и варианты реализации

Как работает система водяного отопления с естественной циркуляцией? Каковы основные принципы ее монтажа?

Какие основные схемы можно реализовать, не прибегая к помощи циркуляционного насоса? Давайте постараемся выяснить.

А если выбросить из этой схемы насос?

Что это такое

Если для системы с принудительной циркуляций нужен перепад давлений, создаваемый циркуляционным насосом или обеспеченный подключением к теплотрассе, то здесь картина иная. Отопление естественной циркуляцией использует простой физический эффект — расширение жидкости при нагреве.

Если отбросить технические тонкости, принципиальная схема работы такова:

• Котел нагревает некий объем воды. Так, понятное дело, расширяется и, благодаря меньшей плотности, вытесняется более холодной массой теплоносителя вверх.
• Поднявшись в верхнюю точку отопительной системы, вода, постепенно остывая, самотеком описывает круг по системе отопления и возвращается к котлу. При этом она отдает тепло отопительным приборам и к тому моменту, когда снова оказывается у теплообменника, имеет большую плотность, чем вначале. Далее цикл повторяется.

Полезно: понятное дело, ничто не мешает включить в схему циркуляционный насос. В штатном режиме он будет обеспечивать более быструю циркуляцию воды и равномерный прогрев, а при отсутствии электричества отопительная система будет работать с естественной циркуляцией.

Работа насоса в естественной системе циркуляции.

На фото видно, как решена проблема взаимодействия насоса и системы естественной циркуляции. При работе насоса срабатывает обратный клапан, и вся вода идет через насос. Стоит его выключить — клапан открывается, и по более толстой трубе вода циркулирует за счет теплового расширения.

Общая информация

Основные моменты

• Отсутствие циркуляционного насоса и вообще подвижных элементов и замкнутый контур, в котором количество взвесей и минеральных солей конечно, делает срок службы системы отопления этого типа весьма продолжительным. При использовании оцинкованных или полимерных труб и биметаллических радиаторов — не менее полувека.
• Естественная циркуляция отопления означает довольно небольшой перепад давлений. Трубы и отопительные приборы неизбежно оказывают движению теплоносителя определенное сопротивление. Именно поэтому рекомендованный радиус интересующей нас системы отопления оценивается примерно в 30 метров. Понятно, это не означает, что при радиусе в 32 метра вода застынет — граница довольно условна.
• Инерционность системы будет довольно большой. Между растопкой или запуском котла и стабилизацией температуры во всех отапливаемых помещениях может пройти несколько часов. Причины понятны: котлу предстоит прогреть теплообменник, и лишь тогда вода начнет циркулировать, причем довольно медленно.
• Все горизонтальные участки трубопроводов делаются с обязательным уклоном по ходу движения воды. Он обеспечит свободное движение остывающей воды самотеком с минимальным сопротивлением. Что не менее важно — в этом случае все воздушные пробки будут вытеснены в верхнюю точку отопительной системы, где монтируется расширительный бачок — герметичный, с воздушником, или открытый.

Весь воздух соберется в верхней точке.

Саморегуляция

Отопление дома с естественной циркуляцией — саморегулирующаяся система. Чем холоднее в доме, тем быстрее циркулирует теплоноситель. Как это работает?

Дело в том, что циркуляционный напор зависит от:

• Разницы в высоте между котлом и нижним отопительным прибором. Чем ниже котел относительно нижнего радиатора — тем быстрее вода будет переливаться в него самотеком. Принцип сообщающихся сосудов, помните? Этот параметр стабилен и неизменен в процессе работы отопительной системы.

Схема демонстрирует принцип работы отопления наглядно.

Любопытно: именно поэтому отопительный котел рекомендуется устанавливать в подвале или просто как можно ниже внутри помещения. Однако автору доводилось видеть прекрасно функционирующую систему отопления, в которой теплообменник в топке печи был заметно выше радиаторов. Система была полностью рабочей.

• Разницы в плотности воды на выходе из котла и в обратном трубопроводе. Которая, понятно, определяется температурой воды. И вот именно благодаря этой особенности естественное отопление делается саморегулирующимся: как только температура в помещении падает, отопительные приборы остывают.

С падением температуры теплоносителя его плотность увеличивается, и он начинает быстрее вытеснять нагретую воду из нижней части контура.

Скорость циркуляции

Помимо напора, скорость циркуляции теплоносителя будет определяться рядом других факторов.

• Диаметром труб разводки. Чем меньше внутреннее сечение трубы, тем большее сопротивление она будет оказывать движению жидкости в ней. Именно поэтому для разводки в случае естественной циркуляции берутся трубы с намерено завышенным диаметром — ДУ32 — ДУ40.
• Материалом трубы. Сталь (особенно поврежденная коррозией и покрытая отложениями) оказывает потоку в несколько раз большее сопротивление, чем, к примеру, полипропиленовая труба с тем же сечением.
• Количеством и радиусом поворотов. Поэтому основную разводку по возможности лучше делать максимально прямой.
• Наличием, количеством и типом запорной арматуры. разнообразных подпорных шайб и переходов диаметра трубы.

Каждый вентиль, каждый изгиб вызывает падение напора.

Именно из-за обилия переменных точный расчет системы отопления с естественной циркуляцией выполняется крайне редко и дает весьма приблизительные результаты. На практике же достаточно воспользоваться уже приведенными рекомендациями.

Расчет мощности

Эффективная тепловая мощность котла рассчитывается теми же способами, что и во всех других случаях.

По площади

Простейший способ — рекомендованный СНиП расчет по площади помещения. 1 КВт тепловой мощности должен приходиться на 10 м2 площади помещения. Для южных районов берется коэффициент 0,7 — 0,9, для средней полосы страны — 1,2 — 1,3, для районов Крайнего Севера — 1,5-2,0.

Как и любой грубый подсчет, этот способ пренебрегает многими факторами:

• Высотой потолков. Она далеко не везде составляет стандартные 2,5 метра.
• Утечками тепла через проемы.
• Расположением помещения внутри дома или у внешних стен.

Все способы расчетов дают большие погрешности, поэтому тепловая мощность обычно закладывается в проект с некоторым запасом.

По объему с учетом дополнительных факторов

Более точную картину даст другой способ расчета.

• За основу берется тепловая мощность в 40 ватт на кубический метр объема воздуха в помещении.
• Районные коэффициенты действуют и в этом случае.
• Каждое окно стандартного размера прибавляет к нашим подсчетам 100 ватт. Каждая дверь — 200.
• Расположение комнаты у внешней стены даст в зависимости от ее толщины и материала коэффициент 1,1 — 1,3.
• Частный дом, у которого внизу и вверху — не теплые соседние квартиры, а улица, рассчитывается с коэффициентом 1,5.

Однако: и этот расчет будет ОЧЕНЬ приблизительным. Достаточно сказать, что в частных домах, построенных по энергосберегающим технологиям, в проект закладывается мощность обогрева в 50-60 ватт на КВАДРАТНЫЙ метр. Слишком многое определяется утечками тепла через стены и перекрытия.

Схемы разводки

Конкретных примеров и схем того, как может быть реализовано отопление с естественной циркуляцией своими руками, ОЧЕНЬ много. Мы приведем по одному примеру простейших решений для двухтрубной и однотрубной разводки.

Двухтрубная

Разводка двухтрубного отопления с естественной циркуляцией.

Обозначения на схеме:

1. Отопительный котел.
2. Расширительный бак, который служит для компенсации изменения объема теплоносителя при колебаниях температуры и собирает вытесненный воздух.
3. Отопительные приборы — конвектора или радиаторы.

Т1 — нагретая котлом вода, Т2 — остывшая. Красными и синими стрелками показано направление движения теплоносителя.

Здесь при разводке актуальны те же основные принципы, которые были перечислены выше:

• Котел устанавливается по возможности ниже радиаторов.
• По току воды делается уклон в 5-7 градусов.
• Розливы там, где от них запитаны несколько радиаторов, выполняются трубой не ниже ДУ32 мм. Желательно — полимерной или металлопластиковой. Подводки к радиаторам традиционно выполняются трубой ДУ20.

Важно: не путайте ДУ, примерно равной внутреннему сечению трубы, с ее внешним диаметром. В случае полипропилена внешний диаметр 32 миллиметра соответствует всего-то ДУ20.

Двухтрубное отопление частного дома с естественной циркуляцией при правильно подобранных диаметрах труб не требует балансировки, однако дроссели на подводках к радиаторам не помешают.

Наличие двух контуров по всему периметру дома будет довольно накладным: цена полипропиленовых армированных труб не так уж мала, да и сам монтаж займет значительное время. Поэтому для большинства одноэтажных домов применяется однотрубная разводка.

Однотрубная

Простейшая однотрубная схема барачного типа — Ленинградка.

Уклон и диаметр труб здесь такие же. Есть несколько нюансов, важных именно для этой схемы.

• Радиаторы не разрывают основное кольцо, а врезаются параллельно ему. Не переживайте, что в отопительных приборах не будет циркуляции — опыт доказывает обратное.
• Помимо расширительного бачка, воздушником снабжается каждый радиатор. Собственно, если не стравливать воздух полностью из одного отопительного прибора — без расширительного бачка и вовсе прекрасно можно обойтись. Если, конечно, система отопления закрытого типа (изолированная от атмосферного воздуха).
• Дроссели или термоголовки помогут выровнять температуру ближних к котлу и дальних радиаторов.

Вариант однотрубной схемы для двухэтажного дома с котлом в подвале.

Заключение

Дополнительная информация о системах отопления с естественной циркуляцией, как всегда, в видео в конце статьи. Теплых зим!

Самотечная система отопления для частного дома: простая и недорогая схема с естественной циркуляцией

Централизованная система отопления постепенно отживает свое, поскольку, как можно заметить, она не способна справиться с возложенными на нее задачами по отоплению помещений. Поэтому, все чаще можно встретить использование автономного отопления.

Наиболее актуальным данный вопрос является для частных домов, по причине отсутствия какого-либо источника тепла. Существует несколько схем отопления, что дает возможность каждому выбрать свою по душе и в соответствии с финансовыми предпочтениями.

Разновидности

Рассмотрим варианты систем отопления для частных и многоквартирных домов:

• с использованием принудительной циркуляции теплоносителя;

• естественная циркуляция с использованием самотёка теплоносителя.

Системы с естественной циркуляцией получили широкое распространение, главным образом, благодаря своим сильным сторонам:

• функционирование системы с естественной циркуляцией независимо от того есть напряжение в сети или нет;

• высокие показатели инерционности системы, где внешние факторы не влияют на распространение тепла.

Примите к сведению: следует с особым вниманием подойти к выбору диаметра используемых труб для системы отопления, учитывая то, что больший диаметр улучшает циркуляцию воды, однако и здесь тоже следует знать меру.

Принцип функционирования оборудования

Система предусматривает проталкивание горячей воды наверх. Использование данной схемы отопления дома позволяет выполнять монтаж котла ниже отопительных радиаторов.

С верхней части вода в трубе с небольшим углом продвигается дальше. Здесь нужно обратить внимание на трубы, что отходят от главной ветки, подключенные к отопительным батареям, поскольку они должны быть тоньше.

Наиболее актуальным этот принцип является для систем с верхним типом раздачи, откуда самотечная система проталкивает воду к радиаторам.

В случае, когда используется схема, подразумевающая нижнюю раздачу, отопление частного двухэтажного дома самотечным способом возможно, только если есть разгонный контур. Это означает, что следует создать перепад высот, путем подключения трубы к котлу, подымающуюся к расширительному бачку. Далее труба опускается на уровень окон и оттуда делается разводка по батареям.

Следует учесть: помехой самотечной системы отопления может быть низкий потолок, поскольку предусмотрено, что труба от верхней точки котла должна на 1,5 метра отходить, и плюс расстояние на расширительный бачок.

Наибольшим плюсом, которым обладает гравитационная отопительная система, является, то, что самотек воды выполняется без участия других систем. Это означает, что в случае использования дровяного котла. горячая вода будет поступать в систему самотеком без использования насоса или какого-либо другого оборудования, требующего включения электричества.

Правда, при помощи таких схем можно обогревать только дома небольшой площади, поскольку существует ограничение длины контура труб не более 30 метров. Такая система еще носит название ленинградка.
Разновидности самотечных отопительных систем

Используется одна или две трубы, и это не влияет на принцип работы, поскольку вода поднимается как можно выше, где учитывается уклон, а далее она поступает во все элементы системы. Двухтрубный вариант системы закрытого типа отличается тем, что вода переходит в соседнюю ветку, через вход обратки котла.

Отличием однотрубной системы является то, что здесь на вход вода поступает от последнего радиатора. Подобный принцип применяется и в отопительных системах, сделанных своими руками.

Используемые радиаторы отопления

Наиболее значимый показатель здесь – это минимальное сопротивление потоку воды. А от ширины просвета радиатора зависит струя теплоносителя, вне зависимости от того, используете вы трубы из полипропилена или из других материалов. Однако, чугунные радиаторы в данном отношении будут просто идеальными, особенно когда используется однотрубная система. Они имеют наименьшее гидравлическое сопротивление.

Хорошо себя зарекомендовали в использовании алюминиевые и биметаллические радиаторы. но нужно обращать внимание на их внутренний диаметр, который не должен быть менее 3/4”. Этого будет для отопления одноэтажного дома вполне достаточно, не используя циркуляционный насос. Разрешается использовать стальные трубчатые батареи.

Обратите внимание: нежелательно использовать на водяное отопление панельные батареи из стали или другие с маленьким сечением, через которые вода или не сможет протекать вообще, или же будет проходить очень небольшой струйкой, что в однотрубной разновидности ограничит циркуляцию или станет для нее препятствием.

Разновидности схем подключения радиаторов

Характерно, что для хорошего отопления недостаточно того, чтобы котлы хорошо нагревали воду. Очень важно для поступления теплоносителя в радиаторы правильно их подключить.

На практике для однотрубного используется нерегулируемое последовательное подключение. Правда, этой проблемы удастся избежать, если у вас будет использована двухтрубная система. Данная система также не использует регулятор, однако, если радиатор завоздушится, система будет функционировать, поскольку вода будет проходить через перемычку (байпас). Правда для такой системы, как теплый пол, данный вариант не подходит.

Установка за перемычкой двух шаровых кранов позволяет, перекрыв поток, снять или отключить радиаторы, при этом систему останавливать не нужно. Так правильный расчет радиаторов отопления позволит Вам помещение оснастить теплоаккумулятором.

Совет специалиста: циркуляция воды в системе осуществляется за счет разницы температур и разной плотности, поэтому обратный клапан устанавливать не нужно.

Выбор труб

Выбирая трубы для отопления, большое значение имеет не только диаметр, но и материал, из которого они изготовлены, а, если быть точнее, гладкость их стенок, поскольку это коренным образом влияет на систему.

Также, на выбор материала большое влияние оказывает котел, поскольку в случае с твердотопливным предпочтение следует отдать стальным, оцинкованным трубам или же изделиям из нержавейки, в связи с высокой температурой рабочей жидкости.

Однако, металлопластиковые и армированные трубы предполагают использование фитингов, что значительно сужает просвет, армированные полипропиленовые трубы будут идеальным вариантом, при рабочей температуре 70С, и пиковой – 95С.

Изделия из особого пластика PPS имеют рабочую температуру 95С, и пиковую – до 110С, что позволяет использовать в открытой системе.

Особенности систем самотеком

Ввиду того, что образуются турбулентные потоки, точные расчеты систем провести не удается, поэтому при их проектировке берутся усредненные значения, для этого:

• максимально поднимают точку разгона;

• используют широкие трубы подачи;

Далее от начала первого расхождения до каждого последующего подключают трубу меньшего диаметра на шаг, равный ему, что задействует инерционные потоки.

Также существуют и другие особенности монтажа самотечных систем. Так, трубы должны прокладываться под углом 1-5%, на что влияет протяженность трубопровода. Если в системе достаточный перепад высот и температур, можно использовать и горизонтальную разводку. Важно следить, чтобы не было участков с отрицательным углом, поскольку движением теплоносителя их не удастся достать, по причине образования в них воздушных пробок.

Так, принцип работы может основываться на открытом типе или быть мембранного (закрытого) типа. Если сделать монтаж горизонтальной ориентации, рекомендуется на каждом радиаторе установить краны Маевского. поскольку с их помощью легче ликвидировать воздушные пробки в системе.

Смотрите видео, в котором специалист рассказывает об условиях возможности применения самотечной, безнасосной, гравитационной системы отопления:

Самотечная система отопления с естественной циркуляцией – расчеты, уклоны, виды

Система с гравитационной циркуляцией чувствительна к ошибкам, допущенным во время монтажа отопления.

Принцип работы системы с естественной циркуляцией

Схема отопления частного дома с естественной циркуляцией пользуется популярностью благодаря следующим преимуществам:

• Простой монтаж и обслуживание.
• Отсутствие необходимости в установке дополнительного оборудования.
• Энергонезависимость – во время работы не требуются дополнительные расходы на электроэнергию. При отключении электричества, система обогрева продолжает работать.

Принцип работы водяного отопления, с использованием самотечной циркуляции, основан на физических законах. При нагревании уменьшается плотность и вес жидкости, а при остывании жидкостной среды, параметры возвращаются в первоначальное состояние.

При этом, давление в системе отопления практически отсутствует. В теплотехнических формулах принимается соотношение 1 атм. на каждые 10 м. напора водяного столба. Расчет системы отопления 2-х этажного дома покажет, что гидростатическое давление не превышает 1 атм. в одноэтажных зданиях 0,5-0,7 атм.

Так как при нагреве жидкость увеличивается в объеме, для естественной циркуляции, обязательно потребуется расширительный бак. Вода, проходящая через водяной контур котла, нагревается, что приводит к увеличению в объеме. Расширительный бачек должен находиться на подаче теплоносителя, в самом верху системы отопления. Задачей буферной емкости является компенсация увеличения объема жидкости.

Система отопления с самоциркуляцией может применяться в частных домах, делая возможным следующие подключения:

• Подсоединение к теплым полам – требует установить циркуляционный насос, только на водяной контур, уложенный в пол. Остальная система продолжит работать с естественной циркуляцией. После отключения электричества, помещение продолжит отапливаться с помощью установленных радиаторов.
• Работа с бойлером косвенного нагрева воды – подключение к системе с естественной циркуляцией возможно, без необходимости в подключении насосного оборудования. Для этого бойлер устанавливают в верхней точке системы, чуть ниже воздушного расширительного бака закрытого или открытого типа. Если это невозможно, тогда насос устанавливают непосредственно на накопительную емкость, дополнительно устанавливая обратный клапан, чтобы избежать рециркуляции теплоносителя.

В системах с гравитационной циркуляцией, движение теплоносителя осуществляется самотеком. Благодаря естественному расширению, нагретая жидкость поднимается вверх по разгонному участку, а после, под уклоном «стекает», через трубы, подключенные к радиаторам, обратно к котлу.

Виды систем отопления с гравитационной циркуляцией

Несмотря на простое устройство системы водяного отопления с самоциркуляцией теплоносителя, существует как минимум четыре, пользующихся популярностью, схемы монтажа. Выбор типа разводки зависит от характеристик самого здания и ожидаемой производительности.

Чтобы определить, какая схема будет работоспособной, в каждом отдельном случае требуется выполнить гидравлический расчет системы, учесть характеристики отопительного агрегата, рассчитать диаметр трубы и т.п. При выполнении вычислений может потребоваться помощь профессионала.

Закрытая система с самотечной циркуляцией

В странах ЕС, системы закрытого типа пользуются наибольшей популярностью среди других решений. В РФ схема пока не получила широкого применения. Принципы действия водяной системы отопления закрытого типа с безнасосной циркуляцией заключается в следующем:

• При нагревании теплоноситель расширяется, происходит вытеснение воды из контура отопления.
• Под давлением жидкость поступает в закрытый мембранный расширительный бак. Конструкция емкости представляет полость, разделенную мембраной на две части. Одна половина бачка заполнена газом (в большинстве моделей используется азот). Вторая часть остается пустой для наполнения теплоносителем.
• При нагревании жидкости создается давление, достаточное, чтобы продавить мембрану и сжать азот. После остывания, происходит обратный процесс, и газ выдавливает воду из бачка.

В остальном, системы закрытого типа, работают, как и остальные схемы отопления с естественной циркуляцией. В качестве минусов можно выделить зависимость от объема расширительного бака. Для помещений с большой отапливаемой площадью, потребуется установить вместительную емкость, что не всегда целесообразно.

Открытая система с самотечной циркуляцией

Система отопления открытого типа отличается от предыдущего типа только конструкцией расширительного бака. Данная схема чаще всего использовалась в старых зданиях. Преимуществами открытой системы является возможность самостоятельного изготовления емкости из подручных материалов. Бачок, обычно имеет скромные габариты и устанавливается на кровле или под потолком жилой комнаты.

Главным недостатком открытых конструкций является попадание воздуха в трубы и радиаторы отопления, что приводит к усилению коррозии и быстрому выходу из строя греющих элементов. Завоздушивание системы также частый «гость» в схемах открытого типа. Поэтому, радиаторы устанавливаются под углом, обязательно предусматриваются краны Маевского, для стравливания воздуха.

Однотрубная система с самоциркуляцией

Однотрубная горизонтальная система с естественной циркуляцией имеет низкую теплоэффективность, поэтому используется крайне редко. Суть схемы такова, что подающая труба последовательно подключена к радиаторам. Нагретый теплоноситель поступает в верхний патрубок батареи и выводится через нижний отвод. После этого тепло поступает к следующему узлу отопления и так до последней точки. От крайней батареи к котлу возвращается обратка.

Преимуществ у данного решения несколько:

1. Отсутствует парный трубопровод под потолком и над уровнем пола.
2. Экономятся средства на монтаж системы.

Недостатки такого решения очевидны. Теплоотдача радиаторов отопления и интенсивность их нагрева снижается по мере отдаленности от котла. Как показывает практика, однотрубная система отопления двухэтажного дома с естественной циркуляцией, даже при соблюдении всех уклонов и подбора правильного диаметра труб, зачастую переделывается (посредством монтажа насосного оборудования ).

Двухтрубная система с самоциркуляцией

Двухтрубная система отопления в частном доме с естественной циркуляцией, имеет следующие конструктивные особенности:

1. Подача и обратка проходят по разным трубам.
2. Подающий трубопровод подсоединен к каждому радиатору через входной отвод.
3. Второй подводкой батарея подключается к обратке.

В результате, двухтрубная система радиаторного типа дает следующие преимущества:

1. Равномерное распределение тепла.
2. Отсутствие необходимости в добавлении секций радиатора для лучшего прогрева.
3. Проще выполнить регулировку системы.
4. Диаметр водяного контура, по крайней мере, на размер меньше чем в однотрубных схемах.
5. Отсутствие строгих правил установки двухтрубной системы. Допускаются небольшие отклонения относительно уклонов.

Главным достоинством двухтрубной системы отопления с нижней и верхней разводкой является простота и одновременно эффективность конструкции, что позволяет нивелировать ошибки, допущенные в расчетах или во время проведения монтажных работ.

Как правильно сделать водяное отопление с естественной циркуляцией

Все гравитационные системы объединяет общий недостаток – отсутствие давления в системе. Любые нарушения во время проведения монтажных работ, большое количество поворотов, несоблюдение уклонов, моментально отражаются на работоспособности водяного контура.

Чтобы сделать грамотно отопление без насоса, учитывается следующее:

1. Минимальный угол уклонов.
2. Тип и диаметр труб, используемых для водяного контура.
3. Особенности подачи и вид теплоносителя.

Какой уклон труб нужен при самотечной циркуляции

Нормы проектирования внутридомовой системы отопления с гравитационной циркуляцией, подробно прописаны в строительных нормах. В требованиях учитывается, что движению жидкости внутри водяного контура будет мешать гидравлическое сопротивление, препятствия в виде углов и поворотов, и т.д.

Уклон отопительных труб регламентируется в СНиП. Согласно указанным в документе нормам, на каждый погонный метр требуется сделать наклон в 10 мм. Соблюдение данного условия гарантирует беспрепятственное движение жидкости в водяном контуре. Нарушение наклона при прокладке труб, приводит к завоздушиванию системы, недостаточному прогреву отдаленных от котла радиаторов, и, как следствие, снижению теплоэффективности.

Нормы уклона труб при естественной циркуляции теплоносителя указаны в СНиП 41-01-2003 «Прокладка трубопроводов отопления».

Какие трубы применяют для монтажа

Выбор труб для изготовления отопительного контура имеет важное значение. Каждый материал имеет свои теплотехнические характеристики, гидравлическую сопротивляемость и т.д. При самостоятельном выполнении монтажных работ, дополнительно учитывают сложность монтажа.

Чаще всего используют следующие строительные материалы:

• Стальные трубы – к достоинствам материала следует отнести: доступную стоимость, устойчивость к высокому давлению, теплопроводность и прочность. Недостатком стали является сложный монтаж, невозможный, без применения сварочного оборудования.
• Металлопластиковые трубы – имеют гладкую внутреннюю поверхность, не дающую контуру засориться, небольшой вес и линейное расширение, отсутствие коррозии. Популярность металлопластиковых труб несколько ограничивает небольшой срок эксплуатации (15 лет) и высокая стоимость материала.
• Полипропиленовые трубы – получили широкое применение благодаря простоте монтажа, высокой герметичности и прочности, длительному сроку эксплуатации и устойчивости к размерзанию. Трубы из полипропилена монтируются с помощью паяльника. Срок службы не менее 25 лет.
• Медные трубы – не получили широкого распространения за счет большой стоимости. Медь имеет максимальную теплоотдачу. Выдерживает нагрев до + 500°С, срок эксплуатации свыше 100 лет. Особенной похвалы достоин внешний вид трубы. Под воздействием температуры, поверхность меди покрывается патиной, что только улучшает внешние характеристики материала.

Какого диаметра должны быть трубы при циркуляции без насоса

Правильный расчет диаметров труб на водяное отопление с естественной циркуляцией осуществляется в несколько этапов:

• Подсчитывается потребность помещения в тепловой энергии. К полученному результату добавляют около 20%.
• СНиП указывает соотношение тепловой мощности к внутреннему сечению трубы. Высчитываем по приведенным формулам сечение трубопровода. Чтобы не выполнять сложные вычисления, стоит воспользоваться он-лайн калькулятором.
• Диаметр труб системы с естественной циркуляцией должен быть подобран согласно теплотехническим расчетам. Чрезмерно широкий трубопровод приводит к снижению теплоотдачи и увеличению расходов на отопление. На ширину сечения влияет тип используемого материала. Так, стальные трубы не должны быть уже 50 мм. в диаметре.

Существует еще одно правило, помогающее усилить циркуляцию. После каждого разветвления трубы, диаметр сужают на один размер. На практике это значит следующее. К котлу подключена двухдюймовая труба. После первого разветвления контур сужают до 1 ¾, дальше до 1 ½ и т.д. Обратку наоборот собирают с расширением.

Если расчеты диаметра были выполнены верно, и соблюдены уклоны трубопроводов при проектировании и выполнении монтажных работ системы отопления с самотечной циркуляцией, проблемы в работе встречаются крайне редко и в основном происходят по причине неправильной эксплуатации.

Какой розлив лучше сделать – нижний или верхний

Естественная циркуляция воды в системе отопления одноэтажного дома во многом зависит и от выбранной схемы подачи теплоносителя непосредственно к радиаторам. Принято классифицировать все типы подключения или розлива на две категории:

• Система с нижним розливом – имеет привлекательный внешний вид. Трубы располагаются на уровне пола. Однотрубная система с нижней разводкой имеет малую теплоэффективность и требует тщательного планирования и проведения расчетов. Схемы с нижним розливом наиболее востребованы для трубопроводов высокого давления.

Система с верхним розливом – данное решение оптимально подходит для частного дома. Подача горячей воды осуществляется посредством трубы, расположенной под потолком. Поступающий сверху теплоноситель, вытесняет скопившийся воздух (воздух стравливается через краны Маевского). Однотрубная система водяного отопления с верхним розливом, также отличается эффективностью.

Ошибки в выборе типа розлива приводят к необходимости модифицировать водяной контур посредством установки циркуляционного оборудования.

Какой теплоноситель лучше для систем с самоциркуляцией

Оптимальный теплоноситель для системы отопления с естественным движением жидкости – это вода. Дело в том, что антифриз имеет большую плотность и меньшую теплоотдачу. Для нагрева гликолевых составов до необходимого состояния, требуется больше времени, сжигаемого топлива, при этом теплоотдача остается на уровне воды.

За использование незамерзающей жидкости, в качестве довода можно привести два довода:

1. Высокая текучесть материала, улучшающая циркуляцию.
2. Способность сохранять текучесть при достижении -10°С, -15°С.

Антифриз используют, если планируется в течение долгого времени не отапливать помещение, или делать это с периодичностью, а постоянно сливать жидкость из системы нет возможности.

Какое отопление лучше выбрать – естественное или принудительное?

Конструктивные особенности системы с естественной гравитационной циркуляцией, простота монтажа и возможность самостоятельного выполнения работ, сделали такую схему достаточно популярной у отечественного потребителя. Но самоциркулирующая конструкция проигрывает по сравнению с контуром, подключенным к насосному оборудованию, в следующих аспектах:

• Начало работы – система отопления с естественной циркуляцией начинает работать при температуре теплоносителя около 50°С. Это необходимо, чтобы вода расширилась в объеме. При подключении к насосу, жидкость двигается по водяному контуру сразу после включения.
• Падение мощности отопительных приборов при естественной циркуляции теплоносителя по мере отдаленности от котла. Даже при грамотно собранной схеме, разница температуры составляет порядка 5°С.
• Влияние воздуха – основной причиной отсутствия циркуляции является завоздушивание части водяного контура. Воздух в системе отопления может образовываться из-за несоблюдения уклонов, использования открытого расширительного бачка и других причин. Чтобы продавить систему, приходится включать котел на максимальную мощность, что приводит к существенным затратам.
• Отопление двухэтажного дома при естественной циркуляции теплоносителя затруднено по причине существующих препятствий для движения жидкости.
• Относительно регуляции нагрева, самоциркулирующие системы также уступают контурам, подключенным к насосам. Современное циркуляционное оборудование подключается к комнатным термостатам, что обеспечивает точность теплоотдачи и нагрев температуры в помещении с погрешностью до 1°С. Установка терморегуляторов допускается и в схемах с самоциркуляцией, но погрешность настроек составит 3-5°С.

Выбрать систему с естественной циркуляцией, оправдано, в случае отопления небольших одноэтажных зданий. Если требуется отапливать коттеджи и загородные дома площадью более 150-200 м², нужна установка циркуляционного оборудования.

Главным достоинством схем с самоциркуляцией является их энергонезависимость, но произведя несложные расчеты, можно прийти к выводу, что экономия на электроэнергии не оправдывает потери тепла в процессе самостоятельного движения теплоносителя. Схемы с принудительной циркуляцией имеют большую теплоотдачу и эффективность.

Расчет мощности и температуры тёплого водяного пола

Источники: http://otoplenie-gid.ru/cirkulyaciya/estestvennaya/113-sistema-otopleniya-s-estestvennoj-cirkulyaciej, http://teplo.guru/sistemy/shema-s-estestvennoy-tsirkulyatsiey.html, http://avtonomnoeteplo.ru/armatura/696-sistema-otopleniya-s-estestvennoy-cirkulyaciey.html

Схема самотечной системы отопления с естественной циркуляцией

В небольших одноэтажных частных домах нередко применяют самотечные отопительные системы. Это значит, что теплоноситель циркулирует за счет разницы температуры жидкости. Самотечная система отопления имеет свои плюсы и минусы. Существует четыре разных схемы устройства контуров с естественной циркуляцией. Для надежной и эффективной работы отопительной сети нужно правильно подобрать трубопроводы, определиться с видом теплоносителя и вариантом подключения подачи.

Принцип работы отопительных систем с естественной циркуляцией

Самотечная система отопления частного дома организована с учетом физических законов. Разность между плотностью и весом нагретой и охлажденной жидкости способствует естественному току теплоносителя в сети. Давление в контуре практически отсутствует и составляет всего 0,5-0,7 атмосфер.

Поскольку в процессе нагревания объем жидкости увеличивается, в контуре устанавливается расширительный бак. Главное его назначение в уравновешивании давления в системе. Излишек расширившейся жидкости поступает в эту емкость, а при снижении давления в сети вода из бака переходит обратно в трубопроводы. Расширительный бак устанавливается в самой верхней точке сети после разгонного вертикального стояка.

К самотечному контуру можно подключать теплые полы. При этом требуется установить насосное оборудование только на трубопровод в полу, а в разводке отопительных приборов теплоноситель будет циркулировать естественным образом.

Также гравитационную схему можно использовать в комплексе с бойлером косвенного нагрева. Это оборудование устанавливают в наивысшей точке разводки, но ниже расширительного бака. При этом не придется использовать насосное оборудование. Если такую схему применить не получается, то насос монтируется только на накопительную емкость. В этом случае обязательно устанавливают обратный клапан для защиты от рециркуляции теплового носителя.

Важно! В самотечных контурах обязательно делают уклон трубопровода с обраткой в сторону котла, чтобы обеспечить движение охлажденной жидкости.

Плюсы и минусы самотечной системы

Преимущества гравитационного тока:

1. Простота монтажа, эксплуатации и обслуживания сети.
2. Не нужно монтировать циркуляционное оборудование и систему безопасности.
3. Это полностью энергонезависимая схема, которая может работать при отключении подачи электроэнергии.

Недостаток контуров с естественным током в том, что они не подходят для больших и многоэтажных домов, потому что из-за низкой скорости движения теплоносителя не смогут эффективно и равномерно обогревать постройку.

Разновидности гравитационных схем

Существует четыре схемы монтажа контуров с гравитационной циркуляцией. Выбор определенной разновидности делают с учетом особенностей постройки и требуемой производительности. Для выбора схемы выполняют гидравлический расчет, оценивают параметры котла и определяют диаметр трубопровода.

Закрытая

Принцип работы контуров закрытого типа следующий:

• Нагретый и расширившийся теплоноситель вытесняет воду из отопительного контура.
• Вытесненная вода попадает в расширительный бак закрытого типа. Это емкость с эластичной мембранной перегородкой, разделяющей газовую и водяную камеры.
• Поступившая под давлением жидкость продавливает мембрану и сжимает газ в воздушной камере. При остывании теплоносителя давление снижается, и газ выдавливает жидкость из емкости в трубопроводы.

Главный недостаток такой схемы в зависимости работы сети от объема расширительного бака. В доме большой площади с протяженным контуром придется устанавливать вместительную емкость.

Рекомендуем к прочтению:

Открытая

Если используется отопление самотеком, схема открытого типа отличается от предыдущей разновидности только конструкцией расширительного бака. В этом случае расширительную емкость можно изготовить самостоятельно из подходящих материалов. Бачок небольшого размера устанавливают на чердаке или высоко под потолком.

Главный минус открытого контура в том, что через расширительную емкость в сети попадает кислород, который способствует коррозии трубопроводов и радиаторов. Еще один недостаток в завоздушивании системы, поэтому на каждый прибор монтируют кран Маевского.

Двухтрубная

Двухтрубная схема системы отопления частного дома с естественной циркуляцией делается с использованием подающего и отводящего трубопровода, то есть все радиаторы подключаются к разводке параллельно, что способствует равномерному прогреву каждой комнаты и всего дома.

Преимущества двухтрубной разводки:

1. Тепло равномерно распределяется по всему строению.
2. Не нужно устанавливать дополнительные секции для регулировки теплоотдачи приборов.
3. Отрегулировать работу сети с двухтрубной разводкой намного проще.
4. Можно использовать трубы меньшего диаметра, чем при использовании однотрубной разводки.
5. Эффективность и простота конструкции.

Главный недостаток в высокой материалоемкости системы. Перед монтажом нужно провести расчеты. От правильности их проведения и соблюдения технологии монтажа зависит эффективность отопительной сети.

Однотрубная

Однотрубная система отопления одноэтажного дома с естественной циркуляцией применяется редко, потому что не отличается эффективностью. В такой сети каждый отопительный прибор последовательно подключается к трубопроводу. Из-за этого в каждую последующую батарею поступает жидкость с меньшей температурой, чем в предыдущий. Для компенсации тепловых потерь приходится увеличивать количество секций в дальних радиаторах.

Преимущества однотрубной разводки:

• Простота монтажа и использования. Не нужно проводить сложные расчеты для прокладки сети.
• Экономия на материалах, потому что прокладывается только один трубопровод, к которому подключаются все приборы. Обратка поступает от последнего радиатора к котлу.

Главный недостаток однотрубной разводки в необходимости увеличения количества секций в дальних радиаторах, а также в неравномерном прогреве постройки. Удаленные от котла комнаты отапливаются хуже.

Какая схема лучше, принудительная или естественная?

Естественная система лучше в том случае, если нужно организовать отопление небольшого одноэтажного частного дома. В этом случае нет смысла тратиться на насосное оборудование, когда и естественного тока теплоносителя будет достаточно для обогрева всей постройки.

Контуры с принудительной циркуляцией лучше использовать в больших одноэтажных или многоэтажных домах. Благодаря быстрому движению теплового носителя в сети постройки значительных размеров будут хорошо и равномерно прогреваться. Контуры с естественной циркуляцией с этой задачей не справятся.

Правила монтажа контура без насоса

Рекомендуем к прочтению:

Теперь поговорим, как сделать циркуляцию воды без насоса. Любая разновидность гравитационной схемы имеет общий минус, который заключается в отсутствии давления в сети. Именно поэтому работоспособность системы снижается из-за повышенного количества поворотов трубопроводов, неправильного уклона и других погрешностей во время монтажа.

Для правильной организации контуров без насоса придерживайтесь следующих требований:

1. Соблюдайте минимально необходимый уклон обратного трубопровода в сторону нагревательного оборудования.
2. Для устройства разводки выбирайте трубы подходящего диаметра и типа.
3. Учитывайте используемый тип теплоносителя и особенности его подачи.

Важно! Чтобы обеспечить уклон обратного трубопровода в сторону котла, нагревательное оборудование устанавливают в подвале или цокольном этаже либо делают пониженный уровень пола в котельной на первом этаже.

Подбор трубопроводов и их уклона

Чтобы обустроить водяное отопление в частном доме без насоса, нужно правильно подобрать диаметр трубопровода и рассчитать его уклон.

Для организации самотечной сети можно использовать следующие виды труб:

• Стальные трубопроводы стоят недорого, достаточно прочные, выдерживают высокое давление. Главный недостаток в низкой коррозионной стойкости, особенно в завоздушенных сетях.
• Металлопластиковые конструкции благодаря гладкой внутренней поверхности не так быстро засоряются. Они мало весят, не подвержены коррозии и имеют небольшое линейное расширение.
• Полипропиленовые трубопроводы обладают высокой герметичностью, прочностью. Они просто монтируются, служат долго и устойчивы к замерзанию. Для монтажа трубопровода понадобится специальное паяльное оборудование.
• Медные трубы стоят очень дорого, поэтому применяются редко. Это самые долговечные и красивые трубопроводы с хорошей теплоотдачей.

Важно! Минимальный уклон обратной магистрали при естественном токе теплоносителя составляет 0,5% на погонный метр. При неправильном уклоне сети быстро завоздушиваются, дальние радиаторы плохо прогреваются.

Выбор диаметра трубопровода производится на основе теплотехнического расчета. При превышении сечения магистрали увеличиваются расходы на отопление, а теплоотдача снижается. Диаметр стального трубопровода не должен быть меньше 50 мм.

Выбор теплоносителя

Естественная циркуляция в системе отопления частного дома может быть организована с использованием жидкого теплоносителя – воды или антифриза. Чаще используют воду, потому что меньшая теплоотдача и большая плотность антифриза повышают расходы топлива и времени на обогрев дома.

Антифриз стоит выбрать в том случае, если дом в холодный сезон будут надолго покидать либо посещать его с определенной периодичностью, а постоянно сливать воду из системы не хочется. В пользу антифриза говорит его лучшая текучесть, облегчающая циркуляцию теплоносителя, а также устойчивость к замерзанию.

Выбор нижнего или верхнего подключения подачи

Отопление самотеком можно организовать с нижним и верхним подключением подачи теплоносителя к отопительным приборам.

Особенности каждой подачи следующие:

1. При нижней подаче теплоносителя трубопроводы прокладываются на уровне пола, поэтому не портят интерьер помещения. Однако однотрубные системы с нижней разводкой отличаются низкой тепловой эффективностью, поэтому такое подключение используют при высоком давлении в сети.
2. Верхняя подача теплоносителя более всего подходит для устройства в частном доме с естественной циркуляцией. Трубопроводы прокладываются под потолком. Поскольку жидкость в радиаторы подается сверху, через краны Маевского легко стравливается воздух. Однотрубная разводка с верхней подачей более эффективная, чем с нижним подключением.

Ошибки при подборе способа подачи могут привести к низкой эффективности системы. Решить проблему получится только установкой циркуляционного насоса для создания лучшего тока теплового носителя.

Гравитация в технологии тепловых труб

1. Введение

Технология тепловых трубок — это одна из форм технологии, которая в основном используется в технических приложениях. Он в основном используется в области передачи тепла, такой как электронное охлаждение, рекуперация тепла от технических процессов, рекуперация тепла от земли и солнца для использования в системе отопления.

Принцип двухфазной теплопередачи с переносом жидкой фазы под действием силы тяжести впервые был использован Энджером Марчем Перкинсом в устройстве, известном как трубка Перкинса в середине девятнадцатого века.Сегодня изобретение Perkins известно как термосифон. Капиллярный эффект, используемый при переносе жидкой фазы в двухфазном теплопередающем устройстве, был впервые предложен Гоглером в 1942 году под названием «Тепловая труба» [1].

Основная тепловая трубка или термосифон состоит из герметично закрытой трубы, в которой рабочая среда находится под определенным давлением. Нагревание одного конца (испарительная часть) трубы и охлаждение другого конца (конденсационная часть) вызывают испарение рабочего тела. Поток пара через адиабатическую часть тепловой трубы в часть конденсации, которая конденсируется в жидкость и возвращается обратно в часть испарения под действием силы тяжести или других сил (например,г. капиллярное действие, центростремительная сила, осмос или электрогидродинамика), который снова испаряется. Это создает естественную циркуляцию рабочего тела, связанную с теплопередачей. В случае теплопередачи с фазовым переходом рабочего тела скрытая теплота вещества высвобождается и, следовательно, эффективность теплопередачи через тепловую трубу очень высока [2].

Благодаря очень высоким коэффициентам теплопередачи при кипении и конденсации эти устройства являются высокоэффективными проводниками тепла по сравнению со многими другими механизмами рассеивания тепла.Они не содержат механических движущихся частей и обычно не требуют обслуживания. Другими преимуществами устройств с технологией тепловых трубок являются быстрое начало действия теплообмена, их геометрическая форма и вес [3]. На рисунке 1 показана схема тепловой трубы.

Рисунок 1.

Принцип тепловой трубы.

И термосифон, и тепловая трубка являются устройствами теплопередачи, которые работают по одному и тому же принципу. Отличие только в способе транспортировки жидкой фазы. В одном устройстве сила тяжести действует положительно, а в другом — отрицательно [4].

Гравитационная сила — это сила притяжения, которая действует между двумя массами, двумя телами или двумя частицами. Гравитация действует не только между объектами на Земле, но и между всеми объектами в любой точке Вселенной. Сэр Исаак Ньютон обнаружил, что для изменения скорости или направления движения объекта требуется сила тяжести. Он также обнаружил, что сила тяжести заставляет яблоко падать с дерева, или люди и животные живут на поверхности нашей планеты, вращаясь вокруг своей оси, не будучи выброшенными.Далее он пришел к выводу, что между всеми объектами существуют силы гравитации. Закон тяготения Ньютона — это математическое описание того, как тела притягиваются друг к другу, основанное на экспериментах и ​​наблюдениях, проведенных учеными. Математическое выражение закона Ньютона:

F = Gm1m2r2E1

, где G — гравитационная постоянная, и ее значение составляет 6,6726 × 10 ⁻¹¹ м ³ кг ⁻¹ с ⁻² .

Он утверждает, что сила тяжести пропорциональна произведению двух масс (m1 и m2) и обратно пропорциональна квадрату расстояния (r) между его центрами тяжести.Влияние гравитационной силы распространяется от каждого объекта в космос во всех направлениях и на бесконечное расстояние. Однако сила тяжести быстро уменьшается с расстоянием.

Капиллярное действие (или капиллярность) описывает способность жидкости течь против силы тяжести в узком пространстве, таком как тонкая трубка.

Этот спонтанный подъем жидкости является результатом двух противоположных сил:

Когезия — силы притяжения между похожими молекулами или атомами, в нашем случае это происходит между молекулами или атомами жидкости.Вода, например, отличается высокой когезией, поскольку каждая молекула воды может образовывать четыре водородные связи с соседними молекулами.

Адгезия: силы притяжения между разнородными молекулами или атомами, в нашем случае площадь контакта между частицами жидкости и частицами, образующими трубку.

С точки зрения молекулярной физики капиллярность вызывается капиллярным давлением. Рассмотрим жидкость с поверхностным натяжением, идеально смачивающую стенки сосуда. При погружении капилляра с внутренним радиусом в жидкость в капилляре образуется вогнутая полусферическая поверхность радиуса.Внутреннее давление под вогнутой поверхностью в капилляре меньше капиллярного давления по сравнению с горизонтальной поверхностью в более крупном сосуде. Это приводит к тому, что жидкость поднимается в капилляре на такую ​​высоту, что гидростатическое давление, соответствующее высоте столба жидкости, совпадает с капиллярным давлением. Высота ( h) жидкости внутри капилляра определяется выражением

h = 2γcosθρgrE2

где γ — поверхностное натяжение жидкости и воздуха, θ — угол смачивания, ρ — плотность жидкости, g — гравитационное поле, r — радиус трубки.

В случае, если силы адгезии больше, чем силы сцепления и силы тяжести (когда они есть), молекулы жидкости цепляются за стенку трубки. Мы увидим, что верхняя поверхность жидкости становится вогнутой (высота жидкости в области контакта больше, чем ее высота в центре трубки). Силы когезии между молекулами жидкости «пытаются» уменьшить поверхностное натяжение (т.е. сгладить верхнюю поверхность жидкости и, таким образом, предотвратить увеличение площади поверхности в вогнутом состоянии).При этом молекулы продолжают подниматься вверх, пока не будет достигнуто устойчивое состояние между когезией и адгезией (с гравитационной составляющей или без нее). Это также объясняет, почему это явление происходит исключительно в тонких трубках (также в отсутствие силы тяжести). В более широких сосудах только небольшая часть жидкости контактирует со стенками сосуда, поэтому силы сцепления незначительны, и жидкость почти не поднимается.

2. Конструкция тепловой трубки

Тепловая трубка может состоять из нескольких основных частей в зависимости от ее типа.При разработке тепловых трубок основные компоненты и материалы остались прежними. Самая простая тепловая трубка состоит из двух основных частей: корпуса (контейнера) и рабочего тела. Внутри корпуса тепловой трубы может быть размещена капиллярная структура (фитиль), позволяющая конденсированной жидкой фазе рабочей жидкости капать против потока пара из-за капиллярного действия. Такая тепловая трубка называется фитильной тепловой трубкой (WHP). Тепловая труба без капиллярной структуры называется гравитационной тепловой трубой, потому что она возвращает жидкую фазу из конденсаторной части в испарительную часть, что происходит под действием силы тяжести [5].

2.1. Контейнер тепловой трубки

Контейнер тепловой трубы может иметь для разных применений разные формы, но чаще всего он имеет форму замкнутой трубы круглого, плоского или треугольного сечения. Основная функция контейнера с тепловой трубкой — изолировать рабочую жидкость от внешней среды. Контейнер тепловой трубы должен быть достаточно прочным, чтобы предотвратить внутренние размеры и внутреннее давление в случае сжатия или изгиба. Выбор материала контейнера зависит от многих его свойств и должен иметь наиболее подходящую комбинацию (совместимость с рабочей жидкостью и окружающей средой, отношение прочности к весу, теплопроводность, пористость, смачиваемость, обрабатываемость, формуемость, свариваемость или склеиваемость).Материал контейнера должен обладать высокой теплопроводностью, твердым и прочным, но при этом легко поддающимся механической обработке, формованию, пайке и сварке. Поверхность материала должна быть хорошо увлажненной, но, по крайней мере, как можно более пористой, чтобы избежать диффузии газа. Чаще всего для изготовления тепловых трубок используются сталь, медь, алюминий и их сплавы. Также используются различные покрытия из стальных материалов [6].

2.2. Рабочая жидкость

Поскольку работа тепловой трубы основана на испарении и конденсации рабочей жидкости, ее выбор является важным фактором при проектировании и производстве тепловой трубы.Рабочая жидкость выбирается, в частности, в соответствии с диапазоном рабочих температур тепловой трубы. Поэтому при выборе рабочего тела необходимо соблюдать осторожность, если диапазон рабочих температур рабочего тела лежит в диапазоне рабочих температур тепловой трубы. Тепловая трубка может работать при любой температуре, которая находится в диапазоне от тройной до критической точки рабочего тела. В случае нескольких рабочих жидкостей, имеющих одинаковую рабочую температуру, критерием принятия решения является соответствующее сочетание ее термодинамических свойств.Рекомендуемые характеристики, которыми должна обладать рабочая жидкость, — это совместимость с материалом капиллярной структуры и контейнера с тепловой трубкой, хорошая термическая стабильность, смачиваемость капиллярной структуры и контейнера с тепловой трубкой, давление пара в диапазоне рабочих температур, высокое поверхностное натяжение, низкая вязкость жидкая и паровая фаза, высокая теплопроводность, высокая скрытая теплота испарения, приемлемая температура плавления и точка затвердевания [6].

2.2.1. Классификация тепловых трубок по рабочему телу

Тепловая трубка способна работать при любой температуре между тройным состоянием и критической точкой рабочего тела, но в области около этой точки тепловая трубка снижает свою способность передавать тепло из-за характерных свойств вязкости. и поверхностное натяжение жидкой фазы рабочего тела.В таблице 1 типичные рабочие жидкости для тепловых труб отсортированы по диапазону рабочих температур. Применение тепловой трубки в основном зависит от диапазона рабочих температур рабочего тела. В зависимости от этого тепловая трубка делится на четыре группы:

1. Криогенная тепловая трубка имеет диапазон рабочих температур 1–200 К. В качестве рабочей жидкости в криогенных тепловых трубках используются газы, например гелий, аргон, кислород, неон или азот.

2. Низкотемпературная тепловая трубка имеет диапазон рабочих температур 200–550 К.Используются такие рабочие вещества, как метанол, этанол, аммиак, ацетон или вода.

3. Среднетемпературная тепловая трубка имеет диапазон рабочих температур 550–700 K. Используются рабочие жидкости, такие как ртуть, сера или некоторые органические жидкости (нафталин, бифенил).

4. Высокотемпературная тепловая трубка имеет диапазон рабочих температур в диапазоне температур выше 700 К. В качестве рабочих жидкостей используются такие металлы, как калий, натрий, серебро, которые плавятся при высоких температурах и находятся в жидком состоянии. [5].

9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 Литий

Рабочая жидкость	Точка плавления при атмосферном давлении (° C)	Точка кипения при атмосферном давлении (° C)	Скрытая теплота парообразования (кДж.кг −1 )	Рабочий диапазон (° C)
Гелий	−271	−269	21	−271 до −269
Азот	−2	−203 до −160
Аммиак	−78	−33	1360	−60 до 100
Ацетон	−95	578	578
Метанол	−98	64	1093	10–130
Этанол	−112	78	850	0–130	Вода	0	100	2260	30–200
Ртуть	−39	361	298	250–650
450–900
Калий	62	774	1938	500–1000
Натрий	98	895	3913		1340	19,700	1000–1800
Серебро	960	2212	2350	1800–2300

Таблица 1.

Типовые рабочие жидкости для тепловых трубок.

На практике вода является наиболее часто используемой рабочей жидкостью в тепловой трубе, потому что она имеет оптимальный диапазон рабочих температур, является самой дешевой и доступной, имеет лучшие термодинамические свойства и самую высокую скрытую теплоту парообразования, что является ее большим преимуществом в теплопередача по сравнению с другими жидкостями. Однако из-за высокой температуры застывания он не подходит для низкотемпературных операций на открытом воздухе и не совместим со всеми материалами.В низкотемпературных операциях часто используются этанол, аммиак и CO ₂ . В высокотемпературных операциях используются подходящие жидкие металлы с низкой температурой плавления, такие как натрий и калий. Использование некоторых жидкостей было прекращено в связи с повышенными требованиями к охране здоровья, безопасности и окружающей среде. Например, использование CFC в европейских странах запрещено, а использование галогенированных углеводородов HFC постепенно отменяется в пользу жидкостей, которые оказывают меньшее воздействие на окружающую среду.

2.3. Фитилиевые конструкции

Фитильные конструкции размещаются на внутренней поверхности тепловой трубы таким образом, чтобы тепловая труба могла работать как в горизонтальном положении, так и в положении, при котором испаритель расположен над конденсатором. Функция фитильной конструкции в тепловой трубе заключается в транспортировке конденсированной жидкой фазы рабочей жидкости от конденсаторной части к испарительной части тепловой трубы. Другая функция — обеспечение равномерного распределения температуры по всей поверхности испарителя.Существует несколько типов фитильных конструкций, но ни один из них не идеален. Каждая фитильная конструкция имеет свои достоинства и недостатки. Поэтому при выборе фитильной конструкции необходимо учитывать условия, в которых будет работать тепловая труба. Выбор фитильной конструкции тепловой трубы зависит от многих факторов. Некоторые из них тесно связаны со свойствами рабочей жидкости, условиями работы и совместимостью компонентов тепловых трубок. Наиболее важным фактором является возможность создания капиллярного давления, необходимого для транспортировки рабочей жидкости из секции конденсатора в секцию испарителя, где тепловая труба получает тепло.Максимальное капиллярное давление, создаваемое фитильной структурой, увеличивается с уменьшением размера пор. Проницаемость фитильной структуры увеличивается с увеличением пористости. Толщина фитильной структуры — еще один фактор, о котором следует позаботиться, поскольку теплопередающая способность тепловой трубы зависит от толщины фитильной конструкции. Как правило, фитильная структура тепловой трубы должна иметь малый радиус капилляра, высокую пористость, высокую теплопроводность и высокую проницаемость [6].

2.3.1. Классификация структуры фитиля

В зависимости от того, состоит ли фитильная структура тепловой трубы из одной или нескольких структур, она подразделяется на однородную и неоднородную (составную).Однородную фитильную структуру создает только одна структура. На рисунке 2 показаны типичные однородные фитильные структуры. Фитильная структура сетчатого экрана, показанная на рисунке 2а, состоит из металлических сеток, расположенных на внутренней поверхности трубы. Сопротивление паровому потоку рабочей жидкости зависит от герметичности обертки сетки в тепловой трубе. Пористая структура фитиля, показанная на рисунке 2b, создана из пористого материала, полученного спеканием металлических порошков или керамических и углеродных пен и войлока.По сравнению с другими структурами, пористая фитильная структура имеет более высокую эффективную теплопроводность. Структура фитиля с канавками, показанная на рис. 2с, образована путем прорезания канавок на внутренней поверхности материала тепловой трубы. Он создает достаточное капиллярное давление, не оказывает сопротивления потоку пара и сохраняет теплопроводность материала [5].

Рисунок 2.

Поперечные сечения однородных фитильных структур. (а) Завернутый экран, (б) спеченный металл, (в) осевая канавка.

Составная фитильная конструкция состоит из двух или более фитильных конструкций. На Рисунке 3 показаны типичные конструкции композитных фитилей. Благодаря структуре композитного фитиля достигается раздельный поток жидкой фазы и паровой рабочей жидкости в тепловой трубе. Например, если фитильная конструкция с канавками на внутренней стенке покрыта металлической сеткой, создается высокое капиллярное давление, а осевые канавки снижают гидравлическое сопротивление. Таким образом, способность теплопередачи фитильной тепловой трубы с рифлением в антигравитационном положении может быть улучшена.

Рисунок 3.

Поперечные сечения композитных фитильных конструкций. (а) Осевая канавка? обернутый экран, (b) Осевая канавка? спеченный металл.

2.3.2. Производство фитилей

Фитиль с желобками представляет собой простую фитильную конструкцию с точки зрения производства. Структура фитиля с канавками, показанная на рис. 4, чаще всего создается путем продольного прорезания канавок в материале трубы размером всего несколько десятых миллиметра. Другой возможностью изготовления структур с пазами является изготовление форм с пазами путем литья или спекания металлических порошков, которые затем вводятся в трубу.Производители медных трубок уже предложили широкий ассортимент медных труб с продольными канавками, пригодных для использования в производстве тепловых труб. При применении фитильных тепловых трубок следует учитывать, что вырезание канавок может ослабить емкость трубы. Поскольку в структуре фитиля с осевыми канавками образуется низкое капиллярное давление, их можно использовать в приложениях, где тепловая труба работает в горизонтальном положении или в положении с расположением испарителя под конденсатором.

Рисунок 4.

Рифленая структура фитиля.

Фитильные конструкции с сетчатым экраном являются одними из наиболее часто используемых фитильных конструкций фитильных тепловых труб. Это в основном из-за простоты их производства, доступности, широкого диапазона материалов и вариативности для создания различных комбинаций (количества слоев и количества типов сетки) в зависимости от передачи теплового потока и ориентации тепловых труб. Как правило, для производства фитильных конструкций используются мелкоячеистые антикоррозионные сетки с размером ячеек 50–250.Размер ячейки определяется количеством отверстий в экране на единицу длины (дюйм = 25,4 мм). Сетчатые экраны намотаны в несколько слоев, так что они прочно прикрепляются к внутренней поверхности после введения в трубу за счет собственных расширяющих сил. На рисунке 5 показаны образцы сеток с мелкими ячейками, из которых изготовлены фитинги для тепловых труб. На рисунке 6 представлены образцы фитильных конструкций сетчатого экрана, вставленных в трубы.

Рис. 5.

Сита с мелкими ячейками (50, 100, 200).

Рис. 6.

Фитильные структуры сетчатого экрана.

Хотя изготовление пористой фитильной структуры является наиболее сложной из всех типов фитильных структур, она является одной из трех наиболее часто используемых фитильных структур в тепловой трубе, поскольку может создавать большое капиллярное давление, которое позволяет тепловой трубе передавать высокий тепловой поток в антигравитационном положении. Один из методов создания пористой фитильной структуры заключается в спекании медного порошка, равномерно насыпанного вокруг соосно центрированной стальной оправки, расположенной внутри медной трубы, при температуре, близкой к плавлению порошкового материала в высокотемпературной электропечи.Формирование подходящей пористой структуры путем спекания металлического порошка зависит, помимо температуры спекания, как от времени спекания, так и от размера зерен порошка. Для получения пористой спекаемой структуры используются медные порошки с размером частиц 30–100 мкм или медные волокна длиной 2–3 мм и диаметром 20–100 мкм. На рисунке 7 показаны гранулы медных порошков, используемых для производства спеченной структуры. На рисунке 8 показаны образцы спеченных фитильных структур из медного порошка с размером зерна 63 мкм.

Рисунок 7.

Гранулы медных порошков (35, 63, 100 мкм).

Рисунок 8.

Спеченная пористая структура фитиля.

Современные технологии позволяют изготавливать пористые структуры из металлических, керамических или углеродных материалов в виде фольги или войлока с различным диапазоном размеров пор, которые подходят для транспортировки конденсата от конденсатора к испарителю в тепловой трубе. Пористые структуры из керамических материалов имеют меньшие поры, но их недостаток состоит в том, что они имеют небольшую жесткость и, следовательно, должны быть каркасами с металлической решеткой.Проблема пористой структуры каркаса состоит в том, что, хотя сама керамическая структура может быть химически совместимой с рабочей жидкостью, второй добавленный материал может быть несовместимым. В последнее время большое внимание уделяется производству пористых структур из углеродных материалов. Структуры из углеродных материалов имеют более мелкие бороздки на поверхности, что позволяет создавать высокое капиллярное давление и являются химически стабильными [7].

3. Производство тепловых трубок

Основными требованиями к производству тепловых труб являются высокая чистота материала отдельных деталей и рабочего тела, а также их взаимная совместимость.

Основа конструкции тепловой трубы — тело трубы и рабочая жидкость. Производство тепловой трубы в первую очередь заключается в выборе подходящего материала трубы и рабочей жидкости. Рабочая жидкость выбирается в соответствии с температурными условиями, в которых будет использоваться тепловая труба, поскольку тепловой поток, передаваемый тепловой трубкой, зависит от материала трубы, рабочей жидкости и их взаимной совместимости. Важной частью фитильной тепловой трубы является фитильная структура, которая также оказывает большое влияние на количество передаваемого теплового потока.

Основные компоненты тепловой трубы следующие:

• Тело трубы (контейнер)

• Рабочая жидкость

• Фитильная структура

• Торцевые крышки

• Напорная труба

Корпус тепловой трубы может иметь любое поперечное сечение, например круглое или квадратное, может включать монтажные фланцы для облегчения сборки и может быть изогнут в различные формы. Фитильная структура может быть образована канавками, выдавленными в теле трубы, или сеткой с мелкими ячейками, пористым материалом и артерией, вставленными в тело тепловой трубы [8].На рисунке 9 показана схема конструкции фитильной тепловой трубы.

Рисунок 9.

Схема конструкции фитильной тепловой трубы.

Самая распространенная форма тепловой трубы — цилиндрическая, потому что помимо легкодоступного продукта (широкий ассортимент материала и размер поперечного сечения трубы) она дает определенные преимущества также с точки зрения прочности и термомеханических параметров. Преимущество производства тепловой трубы цилиндрической формы заключается в простоте обращения с цилиндрическим материалом.На практике также используются тепловые трубы с плоским прямоугольным, треугольным или другим поперечным сечением. Наиболее распространенные тепловые трубки изготавливаются с внутренним диаметром 8–25 мм и внутренним диаметром 2–5 мм — так называемые микротепловые трубки. Процесс производства тепловой трубы можно разделить на несколько подпроцессов, включающих механическую и химическую обработку материалов.

Технологический процесс цикла изготовления тепловых труб:

• Изготовление корпусов и заглушек.

• Изготовление фитилей.

• Очистка компонентов.

• Закрытие торцевых заглушек герметичными соединениями (сварка, пайка).

• Механическая проверка прочности и герметичности корпуса.

• Вакуумирование внутреннего пространства и заполнение рабочей жидкостью.

• Герметизация наливной трубы (сварка, пайка).

Перед изготовлением тепловых трубок необходимо тщательно очистить все компоненты тепловой трубки, чтобы избежать нежелательного воздействия, которое в конечном итоге может повлиять на снижение способности теплопередачи.В процессе очистки сначала вручную удаляются механические загрязнения и ржавчина с корпуса трубы, а затем проводится химическая очистка корпуса, фитильной конструкции, торцевых крышек и наливной трубы [9].

3.1. Механическая часть производства тепловой трубы

В механической части производства сначала подготавливаются отдельные компоненты тепловой трубы: корпус, наполняющая труба, конструкция фитиля и торцевые крышки. Затем все компоненты соединяются сваркой или пайкой.В случае производства фитильных тепловых труб, фитильная конструкция помещается во внутреннее пространство корпуса перед закрытием тепловой трубки. Замыкание тепловой трубки — это соединение корпуса с торцевыми заглушками. На рисунке 10 показаны стандартные типы закрытия тепловой трубы торцевыми заглушками. Заправочная труба соединяется с одной из торцевых крышек за счет вакуумирования внутреннего пространства. После вакуумирования тепловая трубка заполняется рабочей жидкостью и заправочная трубка прижимается, а после отключения от вакуумного насоса заправочная трубка герметизируется пайкой.

Рисунок 10.

Типы закрытия тепловой трубки торцевыми заглушками.

3.2. Химическая часть производства тепловой трубы

В химической части производства сначала удаляются механические примеси и ржавчина с корпуса тепловой трубы. Затем следует влажная очистка компонентов тепловой трубы, включая очистку растворами, кислотами, щелочными кислотами, которая точно определяется для каждого типа материала. Ультразвуковая очистка, вакуумирование, дегазация и пассивация — это процессы, которые гарантируют высокую чистоту материала тепловых трубок и, таким образом, способствуют длительной безотказной работе.Как правило, очистка позволяет достичь двух важных целей. Первая цель — обеспечить хорошее смачивание материала тепловой трубки при работе. Вторая цель — удалить все частицы грязи, поскольку наличие примесей в твердой, жидкой или газообразной форме может отрицательно сказаться на теплопередающей способности тепловой трубы. Мелкие частицы могут препятствовать образованию капиллярного давления в структуре фитиля. Смазка для машинной обработки или смазка для рук может снизить смачиваемость фитиля. Оксиды, образующиеся на стенках фитильной конструкции, также могут снижать способность рабочей жидкости смачивать поверхность.Также настоятельно рекомендуется использовать ультразвуковой очиститель для очистки материала тепловых трубок, поскольку ультразвук разрушается, загрязнения прочно абсорбируются на поверхности металлических частиц, которые нельзя удалить никаким другим способом. Очистка тепловой трубки повторяется непосредственно перед заливкой рабочей жидкостью, после соединения корпуса с торцевыми заглушками и наливной трубкой. После очистки трубка дегазируется путем нагрева до более высокой температуры и вакуумирования салона. В случае фитильной тепловой трубы необходимо удалить оксидные слои с фитильной конструкции путем химической очистки (например,г. растворители).

3.3. Заполнение тепловой трубки рабочей жидкостью

Рабочая жидкость, добавляемая в тепловую трубку, должна быть полностью чистой, без механических примесей и газов, поскольку их следовые остатки также могут вступать в реакцию с материалом корпуса тепловой трубки и образовывать нежелательные элементы. Чистые вещества без проблем можно приобрести в специальных магазинах химии. Однако даже в чистых жидкостях и твердых телах может присутствовать несжимаемый газ. Эти газы можно удалить, повторяя циклы замораживания и оттаивания.Рабочую жидкость в наливной емкости можно заморозить с помощью жидкого азота или сухого льда.

Процесс заполнения каждого типа рабочей жидкостью происходит при других условиях. Характеристика процесса розлива зависит от состояния рабочей жидкости при температуре окружающей среды. Если рабочая жидкость находится в газообразном состоянии (криогенном) комнатной температуры, заправка может производиться через газовый баллон высокого качества. С другой стороны, заполнение и закрытие жидкометаллических тепловых труб целесообразно производить в вакуумной камере [10].

Заполнение низкотемпературных тепловых трубок может производиться при комнатной температуре без использования какой-либо защитной атмосферы. Перед заполнением тепловой трубки рекомендуется отсосать из нее воздух, чтобы обеспечить удаление нежелательных компонентов, содержащихся в материалах, которые позже могут быть показаны как неконденсирующиеся компоненты. Кроме того, из-за пониженного давления рабочая жидкость естественным образом попадает в тепловую трубу и, таким образом, равновесное состояние чистой паровой и жидкой фаз при более низком давлении, чем атмосферное, будет достигнуто [11].Схема вакуумирования и заполнения тепловой трубы низкотемпературным рабочим телом представлена ​​на рисунке 11.

Рисунок 11.

Схема вакуумирования и заполнения тепловой трубки.

4. Эксперименты с тепловыми трубками

Сила тяжести с одной стороны положительна, когда обеспечивается циркуляция рабочей жидкости в гравитационной тепловой трубе (термосифоне), а с другой стороны — отрицательна, когда действует противоположно капиллярному действию в фитильной тепловой трубке. Гравитационное действие в гравитационном поле Земли действует в одном направлении.Если рабочее положение тепловой трубы в поле силы тяжести изменилось, то изменилось и действие силы тяжести на поток конденсата рабочей жидкости. Таким образом, в вертикальном положении тепловой трубы действие силы тяжести может быть положительным или отрицательным в зависимости от положения источника тепла, а в горизонтальном положении действие силы тяжести может быть нулевым. Поскольку способность теплопередачи тепловой трубы зависит от массового расхода конденсата рабочей жидкости, сила тяжести является одним из основных параметров, влияющих на теплопередающую способность тепловой трубы.Поэтому основной целью экспериментов является определение влияния рабочего положения (силы тяжести) на величину тепловых характеристик, передаваемых тепловыми трубками.

Для определения величины тепловых характеристик, передаваемых по тепловой трубке, было предложено измерительное устройство, состоящее из измерительной аппаратуры (поворотная плата, нагреватель с термостатом нагрева, охладитель с термостатом охлаждения, расходомер, датчики температуры и регистратор данных), показанный на рисунке 12. Тепловые характеристики измерения с помощью тепловых трубок состоят из нагрева секции испарения циркулирующей средой до 80 ° C и охлаждения секции конденсации циркулирующей средой до 20 ° C.Поворачивая поворотную плату, можно настроить рабочее положение тепловой трубки. Для определения тепловых характеристик тепловой трубы использовался калориметрический метод на основе калориметрического уравнения, в котором известны массовый расход, удельная теплоемкость, температура на входе и выходе циркулирующей охлаждающей среды.

Q = m..c.ΔtE3

Δt = t2 − t1E4

где Δt (° C) — температурный градиент, t ₁ (° C) — температура на входе, t ₂ (° C) — температура на выходе, ṁ (Дж.кг ⁻¹ .K ⁻¹ ) — это массовый расход жидкости, а c (Дж. кг.с ⁻¹ ) — это специальные теплоемкости жидкости.

Рисунок 12.

Схема измерительного устройства: (1) поворотная плата, (2) охладитель, (3) нагреватель, (4) тепловая трубка, (5) охлаждающее устройство с термостатом, (6) нагревательное устройство с термостатом, (7) регистратор данных, (8) ноутбук, (9) расходомер, (10) датчики температуры.

4.1. Эксперименты с гравитационными тепловыми трубками

В экспериментах с гравитационными тепловыми трубами изучается влияние рабочего положения, диаметра тепловых труб, количества и вида рабочей жидкости на способность теплопередачи гравитационных тепловых труб.Экспериментальные измерения проводились с диаметрами тепловых труб (DN12, DN15, DN18, DN22 и DN28) и рабочими жидкостями (дистиллированная вода, этанол и ацетон).

4.1.1. Определение количества рабочего тела

Первый эксперимент был сфокусирован на определении оптимального количества рабочего тела в тепловой трубе.

Определение количества рабочего тела регулируется основными опциями:

• Количество рабочего тела выбирается таким образом, чтобы тепловая трубка содержала как пар, так и жидкость во всем диапазоне рабочих температур.

• Недостаток вещества (может привести к высыханию испарительной части тепловой трубы).

• Избыточное вещество (может привести к скоплению конденсата в тепловой трубке).

• Рекомендуется, чтобы рабочая жидкость заполняла не менее 50% испарительной части тепловой трубы.

Эксперимент проводился с тепловой трубкой DN 15, рабочей жидкостью этанолом и количеством рабочей жидкости в диапазоне 10–50%. На рисунке 13 показано влияние количества рабочей жидкости на тепловые характеристики тепловой трубы.Эксперимент показывает, что идеальное количество рабочей жидкости находится в диапазоне 10–30% от общего объема тепловой трубы, а лучшая рабочая тепловая труба — это тепловая труба с 25% общего объема тепловой трубы от объемной трубы. При увеличении количества рабочей жидкости более чем на 40% способность к теплопередаче быстро снижается.

Рисунок 13.

Влияние количества рабочей жидкости на тепловые характеристики тепловой трубы.

4.1.2. Влияние рабочего положения на теплопередающую способность тепловой трубы

Второй эксперимент был сфокусирован на влиянии рабочего положения на теплопередающую способность теплопередающей трубы.Этот эксперимент был реализован с тепловыми трубками различного диаметра, рабочих жидкостей и рабочих положений в диапазоне от вертикального до горизонтального с последовательностью угла наклона около 15 °. На рисунках 14–16 показаны тепловые характеристики, передаваемые гравитационными тепловыми трубками в рабочих положениях в диапазоне 0–90 ° от вертикального положения. Результаты показывают, что гравитационные тепловые трубки способны передавать тепло в любом рабочем положении, кроме горизонтального. В целом, при увеличении угла наклона до 75 ° от вертикального положения способность теплопередачи сильно не меняется, даже можно сказать, что она одинакова во всем диапазоне или немного уменьшается с верхом в положении 60 °.

Рисунок 14.

Влияние рабочего положения на способность теплопередачи тепловой трубы с рабочей жидкостью — водой.

Рисунок 15.

Влияние рабочего положения на способность теплопередачи тепловой трубы с рабочей жидкостью этанол.

Рисунок 16.

Влияние рабочего положения на способность теплопередачи тепловой трубы с рабочей жидкостью ацетон.

4.1.3. Влияние диаметра тепловой трубы и рабочего тела на способность теплопередачи тепловой трубы

Согласно приведенным выше экспериментам можно провести сравнение влияния диаметра тепловой трубы и рабочего тела на теплопередающую способность тепловой трубы.На рисунке 17 показаны средние значения значений тепловых характеристик, передаваемых тепловыми трубками различного диаметра и рабочей жидкостью в рабочем положении в диапазоне 0–75 °. Этот эксперимент подтверждает предположение, что с изменением диаметра тепловой трубы и рабочей жидкости меняются также тепловые характеристики, передаваемые тепловой трубкой. С увеличением диаметра тепловых трубок увеличиваются тепловые характеристики.

Рисунок 17.

Зависимость тепловых характеристик тепловой трубы от рабочей жидкости и диаметра трубы.

На рисунке 18 тепловые характеристики, передаваемые тепловой трубкой, пересчитаны на тепловой поток, передаваемый через поперечное сечение тепловой трубы. Тепловой поток, передаваемый тепловой трубкой на см. ² поперечного сечения тепловой трубки. Выражение

Qs = QSE5

, где Q — тепловые характеристики, передаваемые тепловой трубкой (Вт), S — площадь поперечного сечения тепловой трубки (см ² ).

Рисунок 18.

Зависимость теплового потока тепловой трубы от рабочей жидкости и диаметра трубы.

Целью этого сравнения было выяснить, увеличивает ли увеличение диаметра тепловых труб тепловой поток, передаваемый на см. ² . Ожидалось, что тепловая трубка большего диаметра будет передавать больший тепловой поток. Но это сравнение показывает, что тепловые трубки меньшего диаметра передают более высокие тепловые потоки на ² см площади поперечного сечения тепловой трубки, чем тепловые трубки большего диаметра.

Сравнение влияния вида рабочей жидкости на теплопередачу тепловой трубы показывает, что тепловая труба с рабочей жидкостью ацетон и этанол передают ок.одинаковые тепловые потоки. Тепловые трубки с рабочей жидкостью — вода передают более высокие тепловые потоки, чем тепловые трубки с рабочей жидкостью ацетон и этанол.

4.1.4. Визуализация потока рабочей жидкости в гравитационной тепловой трубе

Несмотря на то, что теория кипения жидкости сложна и описана многими учеными, их трудно понять, поскольку процессы кипения зависят от многих переменных факторов, таких как массовый расход, паросодержание и разница температур между жидкость и поверхность нагрева.Этот эксперимент объясняет течение рабочего тела в гравитационной тепловой трубе на основе режимов кипения и конденсации и разъясняет такие явления, как зарождение пузырьков, кипение жидкости, взаимодействие потоков пара и конденсата, конденсация пара и стекание конденсата вниз по стенке, происходящее внутри во время ее работы.

4.1.4.1. Режимы кипения

На рисунке 19 показан характерный ход кривой кипения в зависимости от разницы температур между испаряющейся рабочей жидкостью и поверхностью нагрева, соответствующий пяти известным режимам кипения.

Рисунок 19.

Режимы кипения.

Свободноконвекционное испарение: рабочая жидкость находится в жидкой фазе без пузырьков и поглощает тепло, передаваемое через стенку. Жидкость у стенки нагревается, и жидкость на границе раздела жидкость и газ начинает испаряться.

Переохлажденная область пузырькового кипения: пузырьки начинают зарождаться в жидкой фазе рабочего тела из-за увеличения теплопередачи между стенкой и рабочим телом. Образовавшиеся пузырьки схлопываются при контакте с массой жидкости.

Область ядерно-кипения: эта область кипения возникает при разнице температур 3 K и является наиболее важной областью кипения для приложений теплопередачи, поскольку перегретая жидкость преодолевает поверхностное натяжение рабочего тела. Увеличение теплопередачи между стенкой и рабочей жидкостью приводит к частому образованию пузырьков, которые нестабильны и при контакте с переохлажденной жидкостью схлопываются.

Частичное пленочное кипение: дальнейшее увеличение разницы температур вызывает быстрое испарение жидкости и допускает доступ другой жидкости к нагретой поверхности.Это нестабильный режим кипения, и он неприемлем, потому что пузырьки пара образуются чаще, которые действуют как изоляция и вызывают снижение теплопередачи.

Полное пленочное кипение: при очень большой разнице температур между рабочей жидкостью и стенкой на стенке образуется устойчивая пленка паров рабочей жидкости. Даже несмотря на то, что пленка действует как эффективная изоляция и передача тепла минимальна, эта область кипения намного предпочтительнее, чем нестабильное частичное пленочное кипение.

4.1.4.2. Режимы конденсации

Конденсация — это фазовый переход рабочего тела из пара в жидкость. Он возникает в конденсационной зоне на стенке тепловой трубы и сопровождается тепломассообменом. Во время конденсации выделяется скрытое тепло, что увеличивает эффективность тепловой трубы.

На Рисунке 20 показаны два типа конденсации на стенке тепловой трубы.

Рисунок 20.

Режимы конденсации: (а) пленочная конденсация, (б) капельная конденсация.

Пленочная конденсация: происходит, когда рабочая жидкость конденсируется в виде сплошного тонкого слоя (пленки) жидкости на поверхности стенки. Пленка жидкости стекает по стенке к секции испарителя под действием силы тяжести и, таким образом, расширяет теплообмен.

Капельная конденсация: происходит, когда рабочая жидкость конденсируется в виде небольших капель жидкости на поверхности стенки. По мере увеличения конденсации пара капли растут и собираются в более крупные капли, пока под действием силы тяжести не стекают по стенке к испарителю.Новая капельная конденсация может продолжаться на свободном пространстве после стекающих капель.

Несмотря на то, что капельная конденсация имеет в 10 раз больший коэффициент теплопередачи, чем пленочная конденсация, ее трудно использовать на практике из-за короткой продолжительности. С точки зрения коэффициента теплопередачи — это непрерывная капельная конденсация и пленочная конденсация тонким слоем — наиболее желательные режимы конденсации в тепловой трубе.

Визуализация течения рабочего тела в гравитационных тепловых трубках проводилась на двух тепловых трубках из стекла с различным внутренним диаметром 13 и 22 мм.Общая длина тепловых трубок составляет 500 мм, в качестве рабочего тела использовалась вода. Эксперимент заключается в сканировании потока рабочей жидкости внутри стеклянной тепловой трубки во время ее работы высокоскоростной видеокамерой. Результаты визуализации потока рабочей жидкости позволяют наблюдать кипение и конденсацию в тепловой трубе и могут быть полезны при моделировании двухфазного потока или тепломассопереноса методом CFD.

На рисунке 21 показаны тепловые трубы, изготовленные для эксперимента и экспериментального процесса визуализации течения рабочего тела в гравитационной тепловой трубке.Конструкция тепловой трубки состоит из емкости из боросиликатного стекла, медной крышки снизу и латунного заправочного клапана сверху.

Рисунок 21.

Визуализация течения рабочей жидкости в гравитационной тепловой трубе: 1 — тепловая труба, 2 — видеокамера, 3 — источник тепла, 4 — штатив.

Контейнер для тепловой трубы из боросиликатного стекла был выбран потому, что он имеет гладкую поверхность, обеспечивает хорошую видимость и устойчив к высоким температурам, химическим веществам и воде. Тепловые трубки изготовлены методом испарения рабочего тела.Это самый простой способ сделать тепловую трубу. Сначала идет полный объем тепловой трубы, заполненный рабочей жидкостью, а затем рабочая жидкость испаряется до необходимого объема. Таким образом, обеспечивается только чистая жидкая и паровая фаза рабочего тела и отсутствие нежелательных газов внутри тепловой трубы.

Результаты визуализации течения рабочей жидкости в тепловой трубе показаны на рисунке 22. На рис. 22а и б показаны режимы течения рабочей жидкости в испарительной и конденсаторной секции гравитационной тепловой трубы с внутренним диаметром 13 мм.

Рисунок 22.

Режимы кипения и конденсации стеклянной гравитационной тепловой трубы с рабочей жидкостью — водой. (a) Испарительная секция тепловой трубы с внутренним диаметром 13 мм, (b) Конденсационная секция тепловой трубы с внутренним диаметром 13 мм, (c) Испарительная секция тепловой трубы с внутренним диаметром 22 мм, (d) Конденсационная часть тепловой трубы с внутренним диаметром 22 мм.

Здесь вы можете увидеть типичный режим пленочного кипения с несколькими большими пузырьками пара на дне испарителя с тепловой трубкой и одной большой паровой подушкой, выталкивающей жидкость в адиабатическую секцию.В секции конденсатора вы можете увидеть типичную капельную конденсацию, когда на поверхности стенки образуются маленькие капельки рабочей жидкости. Один раз они собираются в большие капли, стекают по стене в испаритель под действием силы тяжести и создают свободное пространство для новых капель.

На рисунках 22c и d показаны режимы течения рабочей жидкости в испарительной и конденсаторной секции гравитационной тепловой трубы с внутренним диаметром 22 мм. Здесь вы можете показать режим пленочного кипения, аналогичный режиму пленочного кипения, что и в тепловой трубке с внутренним диаметром 13 мм, с некоторыми большими пузырьками пара на дне испарителя тепловой трубки. Причина увеличения диаметра тепловой трубы.В конденсаторной части наблюдается такая же капельная конденсация рабочего тела на поверхности стенки, что и в тепловой трубе с внутренним диаметром 13 мм. Влияние диаметра тепловых трубок на режим конденсации не наблюдалось.

4.2. Эксперименты с тепловыми трубками с фитилем

Эксперименты с тепловыми трубками с фитилем изучают влияние рабочего положения и количества рабочей жидкости на способность теплопередачи тепловых трубок. Экспериментальные измерения проводились с одной тепловой трубкой с рифленой структурой фитиля, тремя тепловыми трубками с фитильной структурой сетчатого экрана (ячейки 50, 100 и 200), тремя тепловыми трубками с пористой структурой из спеченного фитиля (металлический порошок 35, 63 и 100 мкм) и одной тепловой трубкой. труба с композитной фитильной конструкцией (паз + сетка 50).Все тепловые трубы имеют диаметр DN 15, общую длину 0,5 м и рабочую жидкость вода.

4.2.1. Определение количества рабочего тела

Сначала был проведен эксперимент по определению оптимального количества рабочего тела в тепловой трубе. Для определения оптимального количества рабочей жидкости в фитильной тепловой трубке применяются те же правила, что и в гравитационной тепловой трубке. Этот эксперимент был реализован с тепловой трубой с фитильной структурой сетчатого экрана DN 15, рабочей жидкостью воды и количеством рабочей жидкости в диапазоне от 10 до 50%.На рисунке 23 показаны результаты влияния количества рабочей жидкости на тепловые характеристики тепловой трубы в различных рабочих положениях. Рабочее положение можно разделить на три зоны. Зона действия положительной гравитации представлена ​​углом наклона от вертикального положения 0–75 °, зона действия невесомости (горизонтальное положение) представлена ​​углом наклона от вертикального положения 90 ° и зона действия отрицательной силы тяжести представлена ​​углом наклона от вертикали. положение 105–180 °.

Рисунок 23.

Зависимость тепловых характеристик от рабочего положения и различного количества рабочей жидкости фитильной тепловой трубы с фитильной структурой сетчатого экрана и рабочей жидкости на воде.

На рисунке 24 показаны результаты, влияющие на количество рабочей жидкости на тепловые характеристики тепловой трубы в горизонтальном положении. Этот эксперимент показывает, что идеальное количество рабочей жидкости находится в диапазоне 10–30% от общего объема тепловой трубы, а лучшая рабочая тепловая труба — это тепловая труба с 25% общего объема тепловой трубы.Фитильная тепловая трубка с 40% хорошо работает в зоне положительного и нулевого действия силы тяжести, но в зоне действия отрицательной силы тяжести. Фитильная тепловая трубка с количеством рабочей жидкости 50% и более не способна передавать тепло в зоне действия нулевой и отрицательной гравитации.

Рис. 24.

Зависимость тепловых характеристик от количества рабочей жидкости фитиля тепловая труба с сетчатым экраном фитиль и водяная рабочая жидкость в горизонтальном положении.

4.2.2. Влияние рабочего положения на способность теплопередачи тепловой трубы

На рисунке 25 показано влияние рабочего положения на способность теплопередачи тепловой трубы с различными структурами фитиля (канавка, сетка экрана, спеченная и композитная).Рабочее положение тепловой трубки можно разделить на три зоны. Зона действия положительной гравитации представлена ​​углом наклона от вертикального положения 0–75 °, зона действия невесомости (горизонтальное положение) представлена ​​углом наклона от вертикального положения 90 ° и зона действия отрицательной силы тяжести представлена ​​углом наклона от вертикали. положение 105–180 °. Видно, что все ВНУ обладают хорошей способностью к теплопередаче в зонах положительного и невесомого воздействия. Наилучшие способности показывает WHP с рифленой структурой фитиля.WHP со структурой фитиля с сетчатым экраном демонстрирует лучшие характеристики, чем WHP с пористой структурой из спеченного фитиля. Зона с отрицательным гравитационным воздействием показывает хорошую способность теплопередачи WHP с сеткой и структурой спеченного фитиля. Наилучшими рабочими тепловыми трубками являются WHP с фитильной структурой ячеек 100 и спеченными 100 мкм. WHP со структурой фитиля с пазами Фитиль с сеткой 50 не передает тепло. ВНП с композитной фитильной структурой (сетка 50 + канавка) показывает хорошую способность к теплопередаче в зоне положительного и невесомого воздействия, но в зоне отрицательного гравитационного воздействия не передает тепло.

Рисунок 25.

Зависимость тепловых характеристик от рабочего положения фитильных тепловых трубок с различными фитильными конструкциями.

4.2.3. Влияние рабочего положения на способность к теплопередаче

На рисунке 26 показаны тепловые характеристики, передаваемые WHP и GHP, в зависимости от рабочего положения. В рабочем положении с положительным гравитационным воздействием в зоне угла наклона от вертикали 0–75 ° ходы WHP и GHP составляют ок. аналогично, когда GHP может передавать более высокие тепловые характеристики, чем WHP.В горизонтальном положении, когда действие силы тяжести равно нулю, и в вертикальном положении с секцией испарителя над секцией конденсации, когда действие силы тяжести отрицательное, можно увидеть различия, когда WHP может передавать тепло из-за структуры фитиля, а GHP не может передавать тепло.

Рисунок 26.

Зависимость тепловых характеристик от рабочего положения гравитационной тепловой трубы и фитильной тепловой трубы с сетчатым экраном фитильной конструкции.

5. Расчет тепловой трубы

Тепловой поток, передаваемый через тепловую трубу, в основном зависит от разницы температур и соответствующих тепловых сопротивлений.На реальную передаваемую теплоту влияют гидродинамические и тепловые процессы, происходящие в тепловой трубе при различных условиях эксплуатации. Тепловой поток, передаваемый тепловой трубкой, может достигать предельных значений, которые зависят от этих процессов. Существует пять известных ограничений, которые ограничивают общую теплопередачу в различных частях тепловой трубы в зависимости от рабочей температуры. На рисунке 27 показана идеальная модель всех ограничений теплопередачи, которые определяют область максимального теплового потока, передаваемого тепловой трубой, в зависимости от рабочей температуры.

Рисунок 27.

Ограничения теплопередачи тепловой трубы с водяным фитилем и структурой из спеченного фитиля (внутренний диаметр тепловой трубы 20 мм, общая длина 2 м, осевая ориентация 90 °, диаметр сферы из медного порошка 0,85 мм, пористость 0,55, ширина структура фитиля 6 мм).

5.1. Математическая модель

Математическая модель состоит из расчета ограничения теплопередачи тепловой трубы. Ограничения теплопередачи тепловых трубок зависят от рабочей жидкости, конструкции фитиля, размеров тепловой трубки и рабочей температуры тепловой трубки.Каждое ограничение теплопередачи выражает часть общего теплового потока тепловой трубы, которая влияет на гидродинамические и тепловые процессы, происходящие в тепловой трубе. Каждое ограничение существует отдельно, и вместе они не влияют на себя. Для построения математической модели для расчета теплового потока, передаваемого тепловой трубой, необходимо знать основные и производные параметры тепловой трубы, ее фитильную структуру и физические свойства жидкой и паровой фазы рабочего тела.

5.1.1. Капиллярное ограничение

Капиллярное ограничение включает ограничение, влияющее на работу фитильной тепловой трубы, которое возникает из-за капиллярного давления, действующего на конденсированную рабочую жидкость в капиллярной структуре.При контакте жидкости с поверхностью фитильной конструкции создается капиллярное давление. Это приводит к тому, что жидкая фаза рабочего тела течет из конденсатора в испаритель. Уменьшение пор в капиллярной структуре увеличивает капиллярное давление, а также гидравлическое сопротивление. Капиллярный предел возникает, когда капиллярные силы на границе раздела жидкой и паровой фаз в секции испарителя и конденсатора тепловой трубы недостаточно велики, чтобы преодолеть потери давления, вызванные трением.Если капиллярное давление в тепловой трубе во время работы оказывается недостаточным для обеспечения необходимого потока конденсата из конденсатора в испаритель, капиллярная структура в испарителе осушается и, таким образом, дальнейшее испарение рабочего вещества прекращается. В общем, капиллярный предел — это основной предел, который влияет на характеристики тепловой трубы и выражается соотношением [12].

Q˙c = σl.ρl.lvμl.K.Awleff.2reff − ρl.g.lt.cosΨσlE6

где A _w — площадь поперечного сечения фитиля (м ² ), K — фитиль проницаемость (м ² ), μ _л — вязкость жидкости (Н.secm ⁻² ), ρ _l — плотность жидкости (кг · м ⁻³ ), g — ускорение свободного падения (9,8 м · сек ⁻² ), r _eff — радиус капилляра фитиля в испарителе (м) l _{т и} — общая длина трубы (м) [13].

Кроме того, если тепловая трубка работает правильно, максимальное капиллярное давление должно быть больше, чем общая потеря давления в тепловой трубке, и это выражается соотношением

ΔPcmax≥ΔPtotE7

Максимальное капиллярное давление ΔP _c , разработанный в фитильной структуре тепловой трубы, определяется уравнением Лапласа-Юнга.

ΔPc = 2σreff.cosθ.E8

где r _eff — эффективный радиус пор фитильной структуры, а θ — угол смачивания жидкой фазы рабочей жидкости в фитильной структуре, где θ = 0 ° — наилучший краевой угол смачивания [5].

5.1.2. Ограничение вязкости

Когда тепловая трубка работает при низких рабочих температурах, давление насыщенного пара может быть очень маленьким и иметь тот же диапазон, что и требуемый перепад давления, необходимый для потока пара от испарителя к конденсатору тепловой трубки.Это приводит к условию, выраженному пределом вязкости относительно баланса давления пара и сил вязкости в капиллярной структуре в низкоскоростном потоке пара. Наиболее частые случаи превышения границы вязкостного предела возникают при работе тепловых трубок при температуре, близкой к затвердеванию рабочего тела. При этом испарения рабочего тела в испарителе и передачи тепла в виде потока пара через адиабатический участок в конденсатор тепловой трубы не происходило.Предполагается, что пар представляет собой изотермический идеальный газ, давление водяного пара на конце конденсатора равно нулю, что обеспечивает абсолютный предел давления в конденсаторе. Предел вязкости называется условием течения паровой фазы при низкой скорости и выражается соотношением

Qv = π.rv4.lv.ρv.Pv12.μv.leffE9

, где l _v — скрытая теплота испарения (Дж / кг), r _v — радиус поперечного сечения парового ядра (м), l _eff — эффективная длина тепловой трубы (м), μ _v — вязкость пара в испарителе (Н.секм ⁻² ), P _v (Па) — давление пара, а ρ _v (кгм ⁻³ ) — плотность на конце испарителя с тепловой трубкой [14].

В случае, когда предел вязкости достигается для многих условий, давление в конденсаторе не может быть нулевым. Затем применяется следующее выражение:

Qv = Av.rv2.lv.ρv.Pv16.μv.leff.1 − Pv, c2Pv2E10

, где P _{v, c} — давление пара в конденсаторе.

5.1.3. Звуковое ограничение

Звуковое ограничение характеризует состояние, в котором скорость потока испаренного пара на выходе из испарителя достигает скорости звука.Как правило, это явление происходит в начале работы тепловой трубы при низком давлении пара рабочего тела. Предполагая, что пар рабочей жидкости является идеальным газом и поток пара со скоростью звука по всему поперечному сечению тепловой трубы является однородным, звуковой предел определяется соотношением (11). Звуковой предел не зависит от ориентации тепловой трубы, типа тепловой трубы, и та же формула применяется для гравитационной и фитильной тепловой трубы. Самым сложным при определении звукового предела является определение величин плотности пара и давления на входе в конденсатор [15].

Qs = 0,474.Av.lv.ρv.Pv0,5E11

где ρ _v (кг · м ⁻³ ) — плотность пара, P _v (Па) — давление на конце испарителя с тепловой трубкой и A _v — площадь поперечного сечения парового ядра (м ² ).

Звуковой предел в основном связан с запуском жидкометаллической тепловой трубы или низкотемпературной работой тепловой трубы из-за очень низкой плотности пара, которая возникает в этих случаях. Для низкотемпературных или криогенных температур звуковой предел не является типичным фактором, за исключением тепловых трубок с очень маленькими диаметрами паровых каналов.Звуковое ограничение называется верхним пределом осевой теплопередачи и не обязательно приводит к высыханию фитильной конструкции в испарителе с тепловой трубкой или к полному отказу тепловой трубы.

5.1.4. Ограничение уноса

Увеличение теплового потока, передаваемого тепловой трубкой, увеличивает скорость потока пара в рабочей жидкости, что приводит к более выраженному взаимодействию паровой и жидкой фаз внутри тепловой трубки. Межфазная поверхность становится нестабильной, и силы вязкости на поверхности жидкости преодолевают силы поверхностного натяжения.Сначала на поверхности жидкой фазы создается волна, с которой постепенно отрываются капли. При определенной скорости потока пара происходит прерывание потока жидкости в испарительную секцию. Конденсаторная секция тепловой трубы переполнена паровой и жидкой фазой, а испаритель перегревается из-за нехватки рабочей жидкости. Предельное значение теплового потока, при котором происходит перетекание тепловой трубы, соответствует пределу взаимодействия. Расчет предела уноса гравитационной тепловой трубы основан на эмпирической корреляции противоточного потока воздуха и водяной пленки в вертикальной трубе.Ограничение увлечения в гравитационной тепловой трубке возникает, когда скорость жидкой пленки приближается к нулю, и может быть выражено соотношением [16]

Qi = Cx2.Av.lv.ρl − 14 + ρv − 14−2.gσl.ρl− ρv14, E12

Cx2 = 1,79tgh05Bo14, E13

Bo = dpgρl − ρvσl − 2E14

Ограничение уноса фитильной тепловой трубки связано с условием, когда пар течет против потока жидкости в структуре фитиля, что может приводят к недостаточному потоку жидкости в фитильной структуре [17].Ограничение уноса фитильной тепловой трубки выражается соотношением

Qe = Av.lv.ρv.σl2.rc, ave0.5E15

, где r _{c, ave} — средний радиус капилляров фитильной структуры и во многих случаях аппроксимируется r _eff , σ _l — поверхностное натяжение жидкости (Н / м).

5.1.5. Ограничение кипения

При нагревании поверхности стенки тепловой трубы слоем жидкости на границе насыщения могут возникнуть три основных режима теплопередачи.При низком перепаде температур нагреваемой поверхности и межфазной поверхности жидкости происходит естественная конвекция и испарение с поверхности жидкости. При увеличении перепада температур происходит пузырьковое кипение и постепенный переход в пленочное кипение. В тепловой трубке происходит поверхностное испарение при низких плотностях теплового потока и пузырьковое кипение при более высоких плотностях. Хотя интенсивность теплопередачи максимальна при пузырьковом кипении, для большинства типов фитильных тепловых труб пузырьковое кипение нежелательно, поскольку мешает впитыванию жидкости в структуру фитиля.С другой стороны, в тепловой трубке с рифленой капиллярной структурой и в гравитационной тепловой трубке благоприятно пузырьковое кипение [18]. Тепловой поток, при котором пузырьковое кипение происходит в фитильных тепловых трубках, а пленочное кипение происходит в гравитационной тепловой трубке, называется пределом кипения. Для гравитационной тепловой трубы выражается соотношением [19]

Qv = 0,16.Av.lvσl.g.ρv2.ρl − ρv4E16

Определение предела кипения фитильной тепловой трубки проблематично, потому что это зависит от ряд технологических и эксплуатационных режимов.Наиболее надежное определение предела кипения — экспериментальное определение для конкретной конструкции фитиля и рабочего тела. Приблизительное определение ограничения кипения для фитильной тепловой трубы выражается соотношением [20]

Qb = 4π.leff.λeff.Tv.σllv.ρv.lnrirv.1rn − 1reffE17

, где λ _eff — эффективное теплопроводность фитильной структуры складывается из теплопроводности фитиля и теплопроводности рабочего тела (Вт / м · К), T _v — температура паронасыщения (K), r _v — радиус парового ядра, r _i — это внутренний радиус контейнера (м), а r _n — радиус зарождения пузырьков в диапазоне от 0.От 1 до 25,0 мкм для обычных металлических контейнеров с тепловыми трубками.

5.1.6. Параметры тепловой трубы

Для расчета ограничений теплопередачи тепловой трубы необходимо знать теплофизические свойства рабочей жидкости в тепловой трубе, основные параметры тепловой трубы, теплопроводность материала тепловой трубы, рабочую температуру тепловой трубы, осевую ориентацию тепловой трубы и др. параметры тепловой трубы рассчитываются исходя из необходимых основных параметров тепловой трубы.

lt = le + lad + lcE18

leff = 0,5.le + lc + ladE19

Av = π.rv2E20

Aw = π.ri2 − ri − h3E21

где l _t — общая длина тепловой трубы (м), l _e — длина испарения тепловой трубы (м), l _ad адиабатическая длина тепловой трубы (м), l _c — длина конденсации тепловой трубы (м), l _eff — эффективная длина тепловой трубы (м), A _v — площадь поперечного сечения парового ядра (м ² ), A _w — площадь поперечного сечения фитиля (м ² ), r _v — радиус поперечного сечения парового ядра (м), r _i — внутренний радиус контейнера (м), а h — ширина фитильной конструкции (м).

Другими параметрами, необходимыми для расчета ограничений теплопередачи по тепловым трубам, являются основные параметры структуры спеченного фитиля и другие параметры, рассчитанные из основных параметров структуры фитиля.

reff = 0,21.dsE22

K = d2.ε3150.1 − ε2E23

λeff = λl2.λl + λm − 2.1 − ε.λl − λm2.λl + λm + 1 − ε.λl − λmE24

где K — проницаемость (м ² ), d — диаметр сферы (м), ε — пористость (-), r _eff — эффективный радиус фитильной структуры (м), λ _eff — эффективная теплопроводность, λ _л — теплопроводность рабочей жидкости, λ _м — теплопроводность материала фитиля [21].

5.2. Верификация математической модели

Математическая модель была создана в соответствии с приведенными выше уравнениями ограничений и параметрами входной тепловой трубы. Результатом математической модели являются графические зависимости ограничений теплопередачи от рабочей температуры тепловой трубы. Проведено сравнение результатов математической модели ограничений теплопередачи для конкретных типов тепловых труб с результатами измерения характеристик тепловых труб при температуре 50 и 70 ° C. На Рисунке 28 представлены графические результаты сравнения ограничений теплопередачи, определяющих общую производительность тепловой трубы на основе математической модели с измеренными характеристиками тепловой трубы с фитилем этанола со структурой спеченного фитиля и диаметром сферы из медного порошка 0.1 мм. Пунктирная линия обозначает границу производительности тепловой трубы за счет капиллярного ограничения, а пунктирная линия — ограничения кипения. Полная линия представляет собой результаты измерений тепловых характеристик тепловых трубок при температуре 50 и 70 ° C. На рисунке 28 видно, что пунктирная линия и сплошная линия находятся в одной области при температуре 50 и 70 ° C.

Рисунок 28.

Верификация математической модели путем измерения характеристик тепловой трубы (тепловая труба с фитилем этанола со структурой спеченного фитиля и диаметром сферы из медного порошка 0.1 мм и осевой ориентацией тепловой трубки ψ 180 °).

Результаты на следующем рисунке 29 подтверждают проверку математической модели, в которой измерение теплового потока фитильной тепловой трубы с рифленой структурой фитиля находится в той же области, что и результаты расчета капиллярного ограничения, которое определяет ограничение для данного типа тепловой трубки при температуре. 50 и 70 ° С. Видно, что капиллярное ограничение определяет ограничение в полном рабочем диапазоне температур.

Рисунок 29.

Верификация математической модели путем измерения характеристик тепловой трубы (фитиль этанола, тепловая труба с рифленым фитилем, длина конструкции 0.3 / ширина 0,2 / шаг 0,3).

5.3. Результаты расчета тепловой трубы

Результаты расчета тепловой трубы показывают интересные графики максимального теплового потока, передаваемого тепловой трубкой, в зависимости от параметров конструкции фитиля. Его можно использовать при оптимизации конструкции фитиля тепловой трубы. На кривых представлена ​​область максимального теплового потока, передаваемого тепловой трубкой, в зависимости от рабочей температуры. На рисунках 30 и 31 показано влияние размеров канавки на общую производительность тепловой трубы.Приведены ограничения теплопередачи фитильной тепловой трубы с рифленой структурой фитиля и размерами канавок (высота 0,3 мм, ширина 0,2 мм и шаг 0,3 мм), созданными математической моделью. На рисунке 30 показано влияние канавки высотой от 0,3 до 0,9 мм на общую производительность тепловой трубы. Было замечено повышение производительности тепловых трубок с увеличением глубины канавки. Но увеличение высоты канавки с 0,7 до 0,9 является ограничением кипения, показанным в качестве основного ограничения, и при рабочей температуре от 80 до 130 ° C имеет тенденцию к снижению производительности тепловых трубок.Согласно графическим зависимостям, высота канавки 0,6 показана как оптимальная высота для данного конкретного типа фитильных тепловых трубок с канавками.

Рисунок 30.

Зависимость характеристик тепловой трубы от длины канавки в тепловой трубе с рифленой структурой фитиля.

Рисунок 31.

Зависимость характеристик тепловой трубы от ширины канавки в тепловой трубе с рифленой структурой фитиля.

На рисунке 31 показано влияние ширины канавки от 0,2 до 0,9 мм на общую производительность тепловой трубы.Наблюдается резкое увеличение производительности тепловых трубок в диапазоне температур от 40 до 90 ° C. Этот температурный диапазон определяет ограничение капиллярности. При более низких температурах рабочий диапазон температур с увеличением ширины канавки является основным звуковым ограничением. При более высокой температуре ограничение кипения в качестве основного ограничения и для ширины канавки показано в диапазоне 0,6–0,9 для ограничения кипения, равного при температуре от 80 до 130 ° C. Согласно графическим зависимостям ширина паза 0.6 показана оптимальная ширина для этого конкретного типа фитильной тепловой трубы с рифлением.

На Рисунке 32 показано влияние ширины структуры фитиля на характеристики тепловой трубы. Ширина конструкции фитиля является важным фактором, влияющим на характеристики тепловой трубы. Видно, что характеристики тепловой трубы увеличиваются с увеличением толщины фитильной конструкции в диапазоне рабочих температур от -30 до 60 ° C. Капиллярное ограничение является основным ограничением для этой области. С другой стороны, увеличение толщины фитильной структуры снижает производительность тепловой трубы в диапазоне рабочих температур 80–130 ° C.Это может быть вызвано зарождением пузырьков в структуре фитиля, когда возвращающаяся жидкость из секции конденсатора в секцию испарителя тепловой трубы испаряется. В этом случае главное ограничение — ограничение кипения.

Рис. 32.

Зависимость характеристик тепловой трубы от ширины фитильной конструкции тепловой трубы из спеченного фитиля.

На Рисунке 33 показано влияние положения тепловых трубок на их производительность. Фитиль в тепловой трубке обеспечивает возврат жидкости из секции конденсации в секцию испарения тепловой трубки, и поэтому фитильная тепловая трубка может работать под разными углами наклона, даже в горизонтальном положении.Характеристики тепловой трубки снижаются с увеличением угла наклона от вертикального положения. Но даже несмотря на графические зависимости производительности тепловой трубы от положения тепловой трубы, можно сказать, что производительность тепловой трубы фитиля в горизонтальном положении только вдвое меньше, чем в вертикальном положении.

Рисунок 33.

Зависимость рабочих характеристик тепловой трубки от положения тепловой трубки из спеченного фитиля.

6. Заключение

Эксперименты, проведенные с тепловыми трубками в данной работе, дают несколько выводов о влиянии рабочего положения на их теплопередающую способность, где главную роль играет сила тяжести и капиллярность фитильных конструкций.

Результаты проведенных экспериментов показывают, как сила тяжести влияет на теплопередающую способность гравитационно-фитильного типа тепловых трубок при изменении рабочего положения. Гравитационная тепловая трубка может работать только в рабочем положении с положительным действием силы тяжести. Изменена теплопроводность ГТН при изменении рабочего положения с вертикального (0 °) на горизонтальное (90 °). Интересно отметить, что способность теплопередачи гравитационной тепловой трубы при увеличении угла наклона до 75 ° от вертикального положения практически не меняется, даже можно сказать, что в положении от 0 до 60 ° немного увеличивается.При следующем увеличении угла наклона с 75 до 90 ° способность теплопередачи гравитационной тепловой трубы быстро снижается до нулевого значения. Фитильная тепловая трубка может работать при положительном, нулевом и отрицательном действии силы тяжести, в то время как способность теплопередачи фитильной тепловой трубки является однородной в области положительного и нулевого действия силы тяжести. В зоне негативного действия силы тяжести теплопередающая способность фитильной тепловой трубки постепенно снижается, но все же может передавать тепло.

Другой вывод этой работы заключается в том, что с увеличением диаметра тепловой трубы тепловые характеристики, передаваемые гравитационной тепловой трубкой, также увеличиваются.Но это утверждение не относится к тепловому потоку, передаваемому на см ² площади поперечного сечения тепловой трубы, потому что тепловые трубы меньшего диаметра передают более высокие тепловые потоки на см ² площади поперечного сечения тепловой трубы, чем тепловые трубы с больший диаметр.

Эксперимент по визуализации течения рабочей жидкости в гравитационной тепловой трубе показывает, что внутренний диаметр тепловой трубы не влияет на режимы кипения и конденсации. В обоих случаях происходит пленочное вскипание в секции испарителя и капельная конденсация в секции конденсатора.Режимы кипения различаются только высотой выталкиваемой жидкости в адиабатический участок. Высота выталкиваемой жидкости была в тепловой трубке с внутренним диаметром на 13 мм выше, чем в тепловой трубке с внутренним диаметром 22 мм. В обоих случаях капельной конденсации мелкие капли собираются в большую и стекают по стене под действием силы тяжести.

Математический расчет тепловой трубы и ограничений теплопередачи показывает, что критическими ограничениями, влияющими на способность теплопередачи фитильной тепловой трубы, являются ограничение уноса, капиллярное ограничение и ограничение кипения.Эти ограничения зависят от теплофизических свойств, параметров фитиля и тепловой трубы. Теплофизические свойства каждого рабочего тела стабильны в температурном диапазоне и не могут изменяться. Возможно изменение размеров фитильной конструкции для оптимизации общего теплового потока, передаваемого тепловой трубкой, поскольку капиллярное давление заставляет фитильную структуру зависеть в основном от проницаемости фитильной конструкции. При проектировании фитильной конструкции будьте осторожны, поскольку увеличение размера пор увеличивает проницаемость, но снижает капиллярное давление, которое управляет циркуляцией рабочей жидкости в тепловой трубе.Следовательно, капиллярное ограничение является основным ограничением теплопередачи в фитильной тепловой трубке.

Благодарности

Статья создана в рамках проектов APVV-15-0778 «Пределы радиационного и конвективного охлаждения за счет фазовых переходов рабочего тела в петлевом термосифоне» и 042ŽU-4/2016 «Охлаждение на основе физических и химические процессы ».

Плотность, удельный вес и удельный вес

Плотность определяется как массы на единицу объема .Масса — это свойство, и единица измерения плотности в системе СИ составляет [ кг / м ³ ].

Плотность может быть выражена как

ρ = m / V = ​​1 / ν [1]

, где
ρ = плотность [кг / м ³ ], [снарядов / фут ³ ]
м = масса [кг], [снаряды]
V = объем [м ³ ], [фут ³ ]
ν = удельный объем [м ³ / кг], [фут ³ / снаряд]

Империал (U.S.) единицами измерения плотности являются снарядов / фут ³ , но часто используется фунт-масса на кубический фут — фунт _м / фут ³ — . Обратите внимание, что существует разница между фунт-силы ( _фунтов ) и фунт-силы ( _фунтов ) . Пули могут быть умножены на 32,2 , что дает приблизительное значение в фунтах массы (фунт _м ) .

• 1 снаряд = 32,174 фунта _м = 14,594 кг
• 1 кг = 2.2046 фунтов _м = 6,8521×10 ^-2 пробок
• Плотность воды: 1000 кг / м ³ , 1,938 пробок / фут ³

См. Также Конвертер единиц — масса и Конвертер единиц — плотность

На атомном уровне частицы плотнее упакованы внутри вещества с большей плотностью. Плотность — это физическое свойство, постоянное при заданной температуре и давлении, которое может быть полезно для идентификации веществ.

Ниже на этой странице: Удельный вес (относительная плотность), Удельный вес для газов, Удельный вес, Примеры расчетов

См. Также: Плотности для некоторых распространенных материалов
Вода — Плотность, Удельный вес и Коэффициент теплового расширения — изменение температуры при 1, 68 и 680 атм, единицы СИ и британские единицы
Воздух — плотность, удельный вес и коэффициент теплового расширения — изменение температуры и давления, единицы СИ и британские единицы
Как измерить плотность жидких нефтепродуктов

Пример 1: Плотность мяч для гольфа
Пример 2: Использование плотности для идентификации материала
Пример 3: Плотность для расчета объемной массы

Удельный вес (относительная плотность) — SG — это безразмерная единица измерения , определяемая как отношение плотности вещества к плотности воды — при заданной температуре e и может быть выражено как

SG = ρ _{вещество} / ρ _h3O [2]

, где
SG = удельный вес вещества
ρ _{вещество} = плотность жидкости или вещества [кг / м ³ ]
ρ _h3O = плотность воды — обычно при температуре 4 ^o C [кг / м ³ ]

Обычно используется плотность воды при температуре 4 ^o C (39 ^o F) в качестве ориентира, поскольку вода в этой точке имеет самую высокую плотность 1000 кг / м ³ или 1.940 пули / фут ³ .

Поскольку удельный вес — SG — безразмерный, он имеет то же значение в системе СИ и британской имперской системе (BG). Удельный вес жидкости имеет то же числовое значение, что и ее плотность, выраженная в г / мл или мг / м ³ . Вода обычно также используется в качестве эталона при расчете удельного веса твердых веществ.

См. Также Теплофизические свойства воды — плотность, температура замерзания, температура кипения, скрытая теплота плавления, скрытая теплота испарения, критическая температура…

Пример 4: Удельный вес железа

Удельный вес для некоторых распространенных материалов

82 0.0017 , сухой монокс 0119

Вещество	Удельный вес — SG —
Ацетилен	0,0013
Спирт	0,82
Алюминий	2,72
Латунь	8.48
Кадмий	8,57
Хром	7,03
Медь	8,79
Углекислый газ	0,00198			7,20
Водород	0,00009
Свинец	11,35
Ртуть	13.59
Никель	8,73
Азот	0,00125
Нейлон	1,12
Кислород	0,00143						0,00143
ПВХ	1,36
Резина	0,96
Сталь	7,82
Олово	7.28
Цинк	7.12
Вода (4 o C)	1.00
Вода, море	1.027

Вернуться к началу

Удельный вес газов обычно рассчитывается по отношению к воздуху — и определяется как отношение плотности газа к плотности воздуха — при заданной температуре и давлении.

Удельный вес можно рассчитать как

SG = ρ _газ / ρ _воздух [3]

где
SG = удельный вес газа
ρ _газа = плотность газа [кг / м ³ ]
ρ _воздух = плотность воздуха (обычно при NTP — 1,204 [кг / м ³ ])

Молекулярные веса могут использоваться для расчета удельного веса, если плотности газа и воздуха оцениваются при такое же давление и температура.

См. Также Теплофизические свойства воздуха — плотность, вязкость, критическая температура и давление, тройная точка, энтальпия и энтропия, теплопроводность и диффузность, ……

Вернуться к началу

Определен удельный вес как вес на единицу объема . Вес сил . Единица измерения удельного веса в системе СИ — [Н / м ³ ]. Британская система мер — [фунт / фут ³ ].

Удельный вес (или усилие на единицу объема) можно выразить как

γ = ρ a _г [4]

, где
γ = удельный вес (Н / м ³ ], [фунт / фут ³ ]
ρ = плотность [кг / м ³ ], [снаряды / фут ³ ]
a _g = ускорение свободного падения (9.807 [м / с ² ], 32,174 [фут / с ² ] при нормальных условиях)

Пример 5: Удельный вес воды

Удельный вес для некоторых распространенных материалов

1082

Изделие	Удельный вес — γ —
	Имперские единицы (фунт / фут 3 )	Единицы СИ (кН / м 3 ) (кН / м 3 )
Алюминий	172	27
Латунь	540	84.5
Четыреххлористый углерод	99,4	15,6
Медь	570	89
Этиловый спирт	49,3	7119 9011	9011	7119 9011			7119 9011		Глицерин	78,6	12,4
Керосин	50	7,9
Меркурий	847	133.7
Моторное масло SAE 20	57	8,95
Морская вода	63,9	10,03
Нержавеющая сталь	499-512			9,81
Кованое железо	474 — 499	74 — 78

К началу

Примеры

Пример 1: Плотность мяча для гольфа

A 42 мм и массой 45 г.Объем мяча для гольфа можно рассчитать как

V = (4/3) π (42 [мм] * 0,001 [м / мм] / 2) ³ = 3,8 10 ^-5 [м ³ ]

Плотность мяча для гольфа затем можно рассчитать как

ρ = 45 [г] * 0,001 [кг / г] / 3,8 10 ^-5 [м ³ ] = 1184 [кг / м ³ ]

Вернуться к началу

Пример 2: Использование плотности для идентификации материала

Неизвестное жидкое вещество имеет массу 18.5 г и занимает объем 23,4 мл (миллилитр).

Плотность вещества может быть рассчитана как

ρ = (18,5 [г] / 1000 [г / кг]) / (23,4 [мл] / (1000 [мл / л] * 1000 [л / м] ^{) 3} ]))

= 18,5 10 ^-3 [кг] / 23,4 10 ^-6 [м ³ ] = 790 [кг / м ³ ]

Если мы посмотрим на плотность В некоторых распространенных жидкостях мы обнаруживаем, что этиловый спирт — или этанол — имеет плотность 789 кг / м ³ .Жидкость может быть этиловым спиртом!

Пример 3: Плотность для расчета объемной массы

Плотность титана 4507 кг / м ³ . Массу 0,17 м ³ объем титана можно рассчитать как

м = 0,17 [м ³ ] * 4507 [кг / м ³ ] = 766,2 [кг]

Примечание! — имейте в виду, что существует разница между «насыпной плотностью» и фактической «плотностью твердого тела или материала». Это может быть неясно в описании товаров.Перед важными расчетами всегда перепроверяйте значения с другими источниками.

Вернуться к началу

Пример 4: Удельный вес железа

Плотность железа 7850 кг / м ³ . Удельный вес железа относительно воды с плотностью 1000 кг / м ³ составляет

SG (железо) = 7850 [кг / м ³ ] / 1000 [кг / м ³ ] = 7,85

Пример 5: Удельный вес воды

Плотность воды составляет 1000 кг / м3 при 4 ° C (39 ° F).

Удельный вес в единицах СИ составляет

γ = 1000 [кг / м ³ ] * 9,81 [м / с ² ] = 9810 [Н / м ³ ] = 9,81 [кН / м ³ ]

Плотность воды составляет 1,940 пробок / фут3 при 39 ° F (4 ° C).

Удельный вес в британских единицах измерения:

γ = 1,940 [снаряды / фут ³ ] * 32,174 [фут / с ² ] = 62,4 [фунт / фут ³ ]

К началу

Бесплатно Энергия | поиск свободной энергии и обсуждение свободной энергии

Уведомление о конфиденциальности для «Бесплатная энергия | поиск бесплатной энергии и обсуждение бесплатной энергии»

В соответствии с законодательством Европейского Союза мы обязаны информировать пользователей, осуществляющих доступ к сайту www.overunity.com «изнутри ЕС о файлах cookie, которые использует этот сайт, и информации, которую они содержат, а также о предоставлении им средств для «согласия» — другими словами, разрешить сайту устанавливать файлы cookie. Файлы cookie — это небольшие файлы, которые хранятся в вашем браузере, и у всех браузеров есть опция, с помощью которой вы можете проверять содержимое этих файлов и при желании удалите их.

В следующей таблице подробно указано имя каждого файла cookie, его источник и то, что нам известно об этой информации. этот файл cookie хранит:

Cookie	Происхождение	Постоянство	Информация и использование
ecl_auth	www.overunity.com	Истекает через 30 дней	Этот файл cookie содержит текст «Закон ЕС о файлах cookie — файлы cookie LiPF разрешены». Без этого файла cookie программное обеспечение Форумов не может устанавливать другие файлы cookie.
SMFCookie648	www.overunity.com	Истекает согласно выбранной пользователем продолжительности сеанса	Если вы входите в систему как участник этого сайта, этот файл cookie содержит ваше имя пользователя, зашифрованный хэш ваш пароль и время входа в систему.Он используется программным обеспечением сайта для обеспечения таких функций, как указание Вам указываются новые сообщения форума и личные сообщения. Этот файл cookie необходим для правильной работы программного обеспечения сайта.
PHPSESSID	www.overunity.com	Только текущая сессия	Этот файл cookie содержит уникальное значение идентификации сеанса. Он установлен как для участников, так и для не-члены (гости), и это важно для правильной работы программного обеспечения сайта.Этот файл cookie не является постоянным и должен автоматически удаляться при закрытии окна браузера.
pmx_upshr {ИМЯ}	www.overunity.com	Только текущая сессия	Эти файлы cookie предназначены для записи ваших предпочтений отображения для страницы портала сайта, если панель или отдельный блок свернут или развернут
pmx_pgidx_blk {ID}	www.overunity.com	Только текущая сессия	Эти файлы cookie предназначены для записи номера страницы для страницы портала сайта, если страница для индивидуальный блок изменен.
pmx_cbtstat {ID}	www.overunity.com	Только текущая сессия	Эти файлы cookie настроены на запись состояния раскрытия / свертывания содержимого блока CBT Navigator.
pmx_poll {ID}	www.overunity.com	Только текущая сессия	Эти файлы cookie настроены на запись идентификатора текущего опроса в блоке с несколькими опросами.
pmx_ {fadername}	www.overunity.com	Только текущая сессия	Эти файлы cookie предназначены для записи состояния блока Opac-Fader.
pmx_LSBsub {ID}	www.overunity.com	Только текущая сессия	Эти файлы cookie предназначены для записи текущей категории и состояния статического блока Category.
pmx_shout {ID}	www.overunity.com	Только текущая сессия	Эти файлы cookie предназначены для записи текущего состояния блока окна крика.
pmx_php_ckeck	www.overunity.com	Время загрузки страницы	Этот файл cookie, вероятно, никогда вас не увидит. Устанавливается, если инициирована проверка синтаксиса блока PHP. и будет удален при выполнении функции.
pmx_YOfs	www.overunity.com	Время загрузки страницы	Этот файл cookie, вероятно, никогда вас не увидит. Он устанавливается на действия портала, такие как щелчок по номеру страницы.Файл cookie оценивается при загрузке нужной страницы и затем удаляется. Используется для восстановления вертикального положения экрана. как до щелчка.

Примечания:

1	Нам известно, что Google использует дополнительные файлы cookie, которые он хранит на вашем компьютере, и когда вы просматриваете наш сайт и все другие места. Они используются для целевой рекламы, и в настоящее время Google делает это без вашего разрешения. Четыре из эти файлы cookie, о которых мы знаем, называются «Rememberme», «NID», «PREF» и «PP_TOS_ACK» и хранятся в кеше Google на вашем компьютере.
2	Если вы заходите на этот сайт с чужого компьютера, пожалуйста, спросите разрешения владельца, прежде чем прием файлов cookie.
3	Ваш браузер предоставляет вам возможность проверять все файлы cookie, хранящиеся на вашем компьютере. Кроме того, ваш браузер отвечает за удаление файлов cookie «только текущего сеанса» и тех, срок действия которых истек; если ваш браузер в противном случае вы должны сообщить об этом авторам вашего браузера.
4	Приносим извинения за любые неудобства участникам и гостям, которые посещают наш веб-сайт. из-за пределов Европейского Союза. В настоящее время мы не можем опросить ваш браузер и получить информация о местоположении, чтобы решить, предлагать ли вам принимать файлы cookie.

Для получения более подробной информации о файлах cookie и их использовании посетите Все о файлах cookie

Физика симпатической вибрации | Гравитация

В соответствии с Законом Силы

Кили
« Гравитация — это взаимное притяжение атомов.» [Джон Кили]

« Гравитация — это полярная тяга, симпатическая согласованная девятых и одна из триединых комбинаций. Магнетизм — это полярное притяжение, а сила тяжести — полярная тяга. При правильных вибрациях действие как магнетизма, так и силы тяжести может усиливаться или ускоряться. «[МАГНИТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ — Снелл]

« Гравитация — это вечно существующее состояние в эфирном пространстве, из которого конденсируются все видимые формы.Это присуще всем формам материи, видимым и невидимым. Он не зависит ни от времени, ни от пространства. Это установленное связующее звено между всеми формами материи из их совокупности. Время аннигилирует им, поскольку оно уже прошло пространство, когда были установлены нейтральные центры молекул. Это не что иное, как притягательный Симпатический Поток, текущий к нейтральному центру Земли, исходящий из молекулярных центров нейтралитета, согласованный с центрами нейтральности Земли и ищущий свою среду сродства с силой, соответствующей характеру молекулярного масса.» [Джон Кили около 1886 года] [см. закон эфирной компенсации и восстановления ]

« Сочувственное распространение отрицательного притяжения — это сила, которая удерживает планетарные массы в их орбитальных диапазонах колебательного действия. » Кили, Рукопись Снелла [см. Сочувственное отрицательное притяжение, Квантовая запутанность, симпатическая согласованная концентрация]

« Гравитация не подчиняется ни времени, ни пространству. Она пронизывает Вселенную без привязки ко времени или пространству, мгновенно и без перерывов.Однако это симпатический поток, идущий от нейтральных центров молекул или масс к нейтральному центру Земли с силой, соответствующей характеру каждой отдельной молекулярной массы. «Он [Кили] полагал, что сила тяжести зависит от среды полярного потока, потому что он говорит:» Если симпатический отрицательный полярный поток будет отрезан от земли, нейтральные центры молекул улетят в космос, как рой пчел. . »

Согласно моей системе гравитальный поток подчиняется «симпатическому согласию девятых» и является той третью триединой комбинации, которая называется «полярный движущий элемент».« Гравитация — это полярная тяга, а магнетизм — полярное притяжение. И магнетизм, и сила тяжести могут ускоряться собственными вибрациями. »

Он полагал, что сила тяжести является результатом закона, который предусматривает обращение притяжения в отталкивание и который действует путем передачи силы под огромной эфирной вибрацией через «межэфирное подразделение». Он также показал, что гравитация действует «как рычаг». Маквикар утверждает: « Каждый индивидуализированный объект ассимилируется с самим собой в последовательные моменты своего существования, и все объекты стремятся ассимилировать друг друга. «Кили говорит» Гравитация — это вечно существующая вечная сила, сосуществующая с составной эфирной или высшей светящейся (седьмое подразделение), так как она вошла во все формы агрегированной материи с момента их рождения и является неотъемлемым свойством. Это источник, из которого произошла вся материя, и каждая единица вещества или нейтральный центр является согласованным звеном, притягивающим и рассеивающим все остальные нейтральные центры. Каждый нейтральный центр является ядром того, что мы называем веществом, и потенциально ядром планеты. «[ТЯЖЕСТЬ — Снелл]

«Демонстрируя преодоление силы тяжести , Кили использовал модель дирижабля весом около 8 фунтов, которая, когда к ней прикреплялась дифференцированная проволока из серебра и платины, связывающаяся с симпатическим передатчиком, поднималась, спускалась или оставалась неподвижной на полпути , движение такое же нежное, как движение чертополоха, парящего в воздухе «. [KEELYS SECRETS — 1888]

« Гравитация — не что иное, как притягивающий, Симпатический Поток, текущий к нейтральному центру Земли, исходящий из молекулярных центров нейтралитета; согласованный с центром нейтралитета Земли и ищущий свою среду сродства с соответствующей силой к характеру молекулярной массы. Гравитация он (Кили) определяет как передающую межэфирную силу при огромной эфирной вибрации. Он продолжает: — Действие самого разума — это вибрационная эфирная эволюция, контролирующая физическое, его отрицательная сила обесценивает свои эффекты, а его положительное влияние усиливается ». [Глава 5 Кили и его открытий]

«Природа установила свои симпатические конкорданты с рождения нейтральных центров планет. Это гравитация ; следовательно, гравитация фиксированная, внутренняя.Нет полета тяжести . Различие в состоянии центров симпатических нервов и вариации в хордовой агрегации масс, как это установлено у мужчины или женщины при рождении, составляют молекулярное состояние человека. Молекулярное состояние животных, овощей и минералов зависит от совокупности их хордовых центров. Невозможно взять две монеты из одного кубика, одинакового по его молекулярной совокупности. Простое поднятие монеты и ее замена приводит к потере миллиардов молекул.Это вызывает изменение хорды массы монеты. Поскольку этот факт был разработан только в результате постоянных прогрессивных исследований, довольно легко понять природу трудностей, стоящих на пути совершенствования устройств для руководства ремесленниками и механиками, с помощью которых они могут привести в действие надлежащее вибрационное действие. вызвать положительную симпатическую передачу. Для демонстрации моих знаний потребуются гораздо более совершенные инструменты, чем те грубые устройства, которые я впервые сконструировал для своих исследований.Один из моих усовершенствованных инструментов показывает глазу в молекулярных эффектах, производимых определенным порядком вибраций, когда аккорд гармонии устанавливается между двумя нейтральными центрами. Другой, когда он связан с сочувствующим, точно обозначает цветом определенного звука или комбинации звуков количество вибраций, которые необходимы для того, чтобы вызвать определенные эффекты механических комбинаций ». [Физика вибраций — Связующее звено между разумом и материей]

«Атомы, выдержавшие космические силы элементарного тепла, , гравитацию, , магнетизм, электричество, и т. Д., уже существующий, не может быть изменен теми же стихийными силами, не говоря уже о силах в руках человека ». [Рукопись Снелла — Книга, страница 2]

«Он [Кили] определяет гравитацию как передающую межэфирную силу под огромной эфирной вибрацией. Он продолжает:« Действие самого разума — это вибрационная эфирная эволюция, контролирующая физическое, его отрицательная сила, обесценивающая свои эффекты, а положительная — влияние повышающее. »[Рукопись Снелла — Книга, страница 2]

« Симпатическое отрицательное притяжение — это то же самое, что и сплоченность.Это не результат электрического сочувствия, но он включает в себя полный триединый поток, где Доминанта является лидером и партнером небесного. Сочувственное проявление отрицательного притяжения — это сила, которая удерживает планетные массы в их орбитальных диапазонах колебательного действия. Магнетизм не имеет распространения, но он пронизывает все земные массы, все планетарные массы. Он очень электрический по своему характеру, на самом деле магнетизм рождается из электричества, тогда как отрицательное притяжение — нет, но оно благотворно влияет на магнетизм.Магнетизм статичен. Симпатическое отрицательное притяжение достигает от планеты до планеты , но Электричество — нет, равно как и магнетизм. Симпатическое отрицательное притяжение рождено небесным телом, и пропитывает каждую массу, которая плавает в космосе , выявляя все магнитные или электрические условия, и все эти массы подчиняются небесному охвату

Можем ли мы действительно создать искусственную гравитацию в космосе ?

Все мы видели искусственную гравитацию во многих научно-фантастических фильмах или читали и мечтали о ней в романах.Но возможно ли это на самом деле? В космосе длительное воздействие низкой гравитации вызывает реальные проблемы со здоровьем космонавтов. Это может быть атрофия мышц, снижение плотности костей, нарушение иммунной реакции, нарушение психического здоровья и бессонница и многие другие. Ясно, что если мы собираемся «взять свою судьбу» и исследовать звезды или даже поселиться в них, нам нужно будет преодолеть раздражающую потребность в гравитации.

Давайте посмотрим на некоторые возможные решения.

Проблема под рукой

Астронавты регулярно испытывают прерывистые линейные ускорения во время запуска и нарушение гравитации Земли и атмосферы.Эти силы, однако, не являются технически искусственной гравитацией, а являются побочными эффектами перехода в пустоту. В этом контексте мы имеем в виду устойчивую силу, созданную намеренно технологией, предназначенной для обеспечения этого эффекта. К сожалению, практическое решение еще не разработано и развернуто. В основном это связано с необходимыми размерами и стоимостью доставки компонентов в космос. Конечно, мы могли бы построить корабль на орбите, используя материал, добытый с Луны или астероидов. Возможно, мы могли бы даже использовать космические лифты.

Если бы мы могли разработать системы искусственной гравитации, мы могли бы теоретически продлить пребывание человека в средах с низкой гравитацией до бесконечности. Это, конечно, будет зависеть от решения других проблем, таких как еда, вода и социальное взаимодействие. Искусственная гравитация устранит или, по крайней мере, смягчит неблагоприятные последствия воздействия низкой или нулевой гравитации на здоровье человеческого тела.

Текущие предложения

Фильмы и сериалы, подобные «Космической одиссее 2001 года», «Элизиум» или, что самое важное, космической станции Superted, демонстрируют нам общепринятые решения.Обычно они включают вращение для вызова центробежных сил / эффектов для имитации гравитации. Другие решения могут включать магнетизм или «поля» для обеспечения желаемых эффектов. В следующих нескольких разделах мы кратко обсудим эти различные решения.

Космическая станция SuperTed [Источник изображения: superted.wikia.com ]

Решение для вращения

Это, как правило, решение для многих изображений нашего будущего в космосе. Фактически, это решение предлагает использовать вращающийся цилиндр, тор или сферу.Они будут имитировать эффекты гравитации, создаваемые массивными объектами, такими как планеты. Принцип состоит в том, чтобы создать силу, часто называемую центробежной силой или эффектом, чтобы «прижать» космонавтов к внешнему краю вращающейся секции станции. Изменяя радиус и скорость вращения, вы можете напрямую влиять на моделируемую силу «гравитации».

Интересно, что центробежную силу часто называют псевдосилой, поскольку на самом деле это не сила. На самом деле это скорее инерционное движение от оси вращения.По сути, это результат центростремительной силы объекта, движущегося по круговой траектории.

Помимо семантики, вы часто чувствуете этот эффект при использовании аттракционов, таких как Gravitron. Вращение езды сбивает вас с толку и вызывает, откровенно говоря, тошнотворное впечатление, возможно, это только я. Вы также можете создать это, вращая ведро с водой над головой с достаточной скоростью.

Интересно, что в 1960-х годах НАСА провело различные эксперименты, которые показали, что это приложение теоретически жизнеспособно.

Проблемы вращательной силы тяжести

Как вы можете себе представить, создание вращающегося космического корабля сопряжено со значительными проблемами. Однако они относительно скромны по сравнению с другими предлагаемыми решениями. У вращающегося аппарата радиус вращения растет пропорционально квадрату периода обращения. Для увеличения периода вдвое требуется четырехкратное увеличение вращения.

Если вы хотите смоделировать гравитацию Земли, например, вам потребуется радиус 56 метров , если период обращения составляет 15 секунд .Для периода 30 секунд потребуется радиус 224 метра, и так далее. Поскольку доставка материалов в космос обходится очень дорого, в настоящее время необходимо максимально уменьшить массу конструкций. Конструкция судов также может помочь свести к минимуму необходимый материал.

Линейное ускорение

В принципе, аналогично решениям для вращения, линейное ускорение может также моделировать гравитацию для экипажа. Если бы мы могли производить достаточно постоянное ускорение по прямой, экипаж можно было бы «прижать» к кораблю в противоположном направлении движения.Это «притяжение» приведет к тому, что любые незакрепленные предметы, например космонавтов, «упадут» на корпус. Фактически, это вызовет проявление гравитации в соответствии с законами Ньютона.

Это решение было бы весьма желательно, поскольку оно обеспечивает искусственную гравитацию, подобную земной. Кроме того, можно было бы сократить время полета вокруг Солнечной системы. Если бы корабль мог производить 1g средней линейной «силы тяжести» во время ускорения и замедления, он мог бы достичь Марса за несколько дней.

Магнетизм

Диамагнетизм может быть еще одним потенциальным решением для создания искусственной гравитации.Удивительно, но исследователям удалось левитировать мышей с помощью мощных магнитных полей. Их эксперименты смогли смоделировать около 1 грамма силы тяжести Земли, довольно круто. Однако для таких магнитов требуется очень дорогая криогенная техника, чтобы они оставались сверхпроводящими, не говоря уже о необходимой мощности.

Эти виды магнитов нуждаются в очень дорогой криогенной технике, чтобы поддерживать их сверхпроводимость, не говоря уже о необходимой мощности.

Долгосрочное воздействие этой технологии на живые организмы не изучалось и неясно.Этот подход также потребует избегать использования ферромагнитных или парамагнитных материалов вблизи полей.

Гипотетические генераторы гравитации

Искусственная гравитация обычно «дана» в научной фантастике. Обычно он проявляется в виде любой из вышеперечисленных технологий, эфирной антигравитации или «парагравитации». В настоящее время не существует подтвержденных методов получения этого, кроме тех, которые включают использование массы или ускорения. Евгений Подклетнов, российский инженер, с 90-х годов утверждал, что он успешно создал устройство для создания гравитомагнитного поля.Однако это не было подтверждено третьими сторонами. Другая исследовательская группа, финансируемая ESA, создала подобное устройство в 2006 году. Их результаты смогли создать только около 0,0001g . Однако это также не было воспроизведено.

Теория струн предсказывает, что гравитация и электромагнетизм могут быть объединены в скрытых измерениях. Это может быть способом «создать» гравитацию в будущем. Также существует возможность существования «гравитонов». Манипуляции с этими, еще не открытыми частицами, также могут быть технологией будущего, если это правда.

Эта технология определенно находится в зачаточном состоянии, но дает интересные перспективы для звездного будущего человечества. Если мы сможем решить эту загадку, наше будущее в галактике будет частично определено. Нам просто нужно решить другие вопросы, такие как выживание и движение, конечно, вы знаете небольшие неудобства. Возможно, при строительстве этих кораблей можно было бы использовать какую-то форму гигантских орбитальных трехмерных принтеров? Уму непостижимо.

Источники: livescience.com, popularmechanics.com

[Источник избранного изображения: НАСА в The Commons через Wikimedia Creative Commons ]

СМОТРЕТЬ ТАКЖЕ: Вы можете создать свой собственный тракторный луч, бросающий вызов гравитации

гравитация | Определение, физика и факты

• Понять концепцию гравитационной силы с помощью теории гравитации Ньютона

  Объяснение гравитационной силы.

  Encyclopædia Britannica, Inc. См. Все видео к этой статье
• См. Эксперименты, описывающие гравитацию и почему невесомость или невесомость влияют на Землю

  Обзор гравитации с акцентом на невесомость.

  Contunico © ZDF Enterprises GmbH, Майнц См. Все видеоролики по этой статье

Гравитация , также называемая гравитацией , в механике — универсальная сила притяжения, действующая между всеми веществами.Это, безусловно, самая слабая из известных сил в природе, поэтому она не играет никакой роли в определении внутренних свойств повседневной материи. С другой стороны, благодаря своему большому радиусу действия и универсальному действию он контролирует траектории тел в Солнечной системе и в других частях Вселенной, а также структуры и эволюцию звезд, галактик и всего космоса. На Земле все тела имеют вес или силу тяжести, направленную вниз, пропорциональную их массе, которую масса Земли оказывает на них. Сила тяжести измеряется ускорением, которое она дает свободно падающим объектам.У поверхности Земли ускорение свободного падения составляет около 9,8 метра (32 фута) в секунду в секунду. Таким образом, каждую секунду, когда объект находится в свободном падении, его скорость увеличивается примерно на 9,8 метра в секунду. У поверхности Луны ускорение свободно падающего тела составляет около 1,6 метра в секунду в секунду.

гравитационная линза

На этом снимке галактическое скопление, находящееся на расстоянии около пяти миллиардов световых лет от нас, создает огромное гравитационное поле, которое «искривляет» свет вокруг себя.Этот объектив создает множественные копии голубой галактики, находящейся примерно в два раза дальше. В круге вокруг объектива видны четыре изображения; пятая видна около центра снимка, сделанного космическим телескопом Хаббла.

Фотография AURA / STScI / NASA / JPL (Фото НАСА № STScI-PRC96-10)

Британская викторина

Викторина «Все о физике»

Кто был первым ученым, проведшим эксперимент по управляемой цепной ядерной реакции? Какая единица измерения для циклов в секунду? Проверьте свою физическую хватку с помощью этой викторины.

Работы Исаака Ньютона и Альберта Эйнштейна доминируют в развитии теории гравитации. Классическая теория гравитационной силы Ньютона существовала с его Principia , опубликованного в 1687 году, до работ Эйнштейна в начале 20 века. Теории Ньютона даже сегодня достаточно для всех, кроме самых точных приложений. Общая теория относительности Эйнштейна предсказывает лишь незначительные количественные отличия от ньютоновской теории, за исключением нескольких частных случаев.Главное значение теории Эйнштейна состоит в ее радикальном концептуальном отходе от классической теории и ее значении для дальнейшего развития физической мысли.

Запуск космических аппаратов и развитие исследований с их помощью привели к значительным улучшениям в измерениях силы тяжести вокруг Земли, других планет и Луны, а также в экспериментах по изучению природы гравитации.

Развитие теории гравитации

Ранние концепции

Ньютон утверждал, что движения небесных тел и свободное падение объектов на Земле определяются одной и той же силой.С другой стороны, классические греческие философы не считали, что небесные тела подвержены действию гравитации, потому что тела наблюдались постоянно повторяющимися неубывающими траекториями в небе. Таким образом, Аристотель считал, что каждое небесное тело следует определенному «естественному» движению, на которое не влияют внешние причины или факторы. Аристотель также считал, что массивные земные объекты обладают естественной тенденцией двигаться к центру Земли. Эти аристотелевские концепции преобладали на протяжении веков вместе с двумя другими: что для тела, движущегося с постоянной скоростью, требуется непрерывная сила, действующая на него, и что сила должна прикладываться посредством контакта, а не взаимодействия на расстоянии.Эти идеи обычно придерживались до XVI и начала XVII веков, тем самым препятствуя пониманию истинных принципов движения и препятствуя развитию идей о всемирной гравитации. Этот тупик начал меняться с появлением нескольких научных вкладов в проблему движения Земли и небес, что, в свою очередь, заложило основу для более поздней теории гравитации Ньютона.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Немецкий астроном 17-го века Иоганн Кеплер принял аргумент Николая Коперника (восходящий к Аристарху Самосскому) о том, что планеты вращаются вокруг Солнца, а не Земли.Используя улучшенные измерения движения планет, выполненные датским астрономом Тихо Браге в 16 веке, Кеплер описал планетные орбиты с помощью простых геометрических и арифметических соотношений. Три количественных закона движения планет Кеплера:

1. Планеты описывают эллиптические орбиты, из которых Солнце занимает один фокус (фокус — это одна из двух точек внутри эллипса; любой луч, исходящий из одной из них, отражается от одной из сторон эллипса. эллипс и проходит через другой фокус).
2. Линия, соединяющая планету с Солнцем, сметает равные площади в равное время.

3. Квадрат периода обращения планеты пропорционален кубу ее среднего расстояния от Солнца.

В тот же период итальянский астроном и естествоиспытатель Галилео Галилей продвинулся в понимании «естественного» движения и простого ускоренного движения земных объектов. Он понял, что тела, на которые не действуют силы, продолжают бесконечно двигаться, и что сила необходима для изменения движения, а не для поддержания постоянного движения.