2.14. Гидравлический расчет системы водяного отопления

Цель гидравлического расчета системы водяного отопления - это определение диаметра ее трубопроводов и потерь давления в них.

Перед началом выполнения гидравлического расчета необходимо вычертить схему системы отопления в аксонометрической проекции.

На схеме указывается расположение запорной арматуры, компенсаторов, воздухосборников и другого вспомогательного оборудования, создающего сопротивление движению воды. Если система отопления подсоединяется к наружным сетям через смесительную установку или теплообменник, то на схеме необходимо показать их обвязку с арматурой.

На каждом отопительном приборе необходимо проставить его тепловую нагрузку. После этого следует определить и проставить нагрузку у стояков, предварительно их пронумеровав.

Затем по схеме в системе отопления выявляют циркуляционные кольца и выделяют среди них основное (невыгодное) кольцо. Это кольцо разбивают на расчетные участки. Расчетные участки нумеруют, начиная от теплового пункта до невыгодного (расчетного) стояка по подающей магистрали и затем от расчетного стояка по обратной магистрали к тепловому пункту. Над участками проставляют их тепловые нагрузки и длины.

Расчетный участок - это отрезок трубопровода постоянного диаметра, в пределах которого расход теплоносителя не изменяется.

Расчетное циркуляционное давление в системе водяного отопления

Гидравлический расчет системы водяного отопления начинают с вычисления расчетного циркуляционного давления:

(2.90)

где ΔP_н - давление, создаваемое циркуляционным насосом, Па; н

ΔP_е - естественное циркуляционное давление, Па;

η - поправочный коэффициент, учитывающий уровень естественного циркуляционного давления в период поддержания расчетного гидравлического режима в системе (η≤1).

Значение коэффициента η принимается в зависимости от вида системы отопления:

η = 1,0 - для насосной однотрубной вертикальной системы при качественном регулировании ее тепловой нагрузки;

η = 0,7 - для насосной вертикальной однотрубной системы при автоматическом качественно - количественном регулировании ее тепловой нагрузки;

η = 0,4 - для насосной двухтрубной и горизонтальной однотрубной системы.

Насосное циркуляционное давление в формуле (2.55) принимается следующим образом:

а) зависимое присоединение системы отопления через элеватор значение величины ΔP_н, определяется по рис.10.19 [5] или по формуле:

(2.90^*)

где ΔP_т =P₁ – P₂ - располагаемая разность давления на вводе, Па;

ΔP_отв - потери давления в ответвлении от точки присоединения к наружным теплопроводам до элеватора, Па;

U - коэффициент смешения, определяется по формуле (3.1).

Чтобы определить по рис. 10.19 [5] давление ΔP_н, необходимо знать значения величин ΔP_т и U.

В северной строительно-климатической зоне значение величины ΔP_н в данном случае должно быть не более 8 кПа (800 кгс/м²);

б) зависимое присоединение системы отопления по прямоточной схеме и по схеме со смесительным насосом на перемычке

ΔP_н = P₁ - P₂, Па.

где (P₁ - P₂) - то же, что в формуле (2.90^*);

в) местное теплоснабжение с перспективой присоединения системы отопления к теплофикационной сети через элеватор.

Значение величины ΔP_н определяется по табл. 10.6 [5], исходя из располагаемой разности давления на вводе (P₁ - P₂)=150 кПа и коэффициента смешения U элеватора (значение U вычисляется по формуле (3.1);

г) независимое присоединение системы отопления и ее присоединения по зависимой схеме с насосом на обратной или подающей магистрали, а также местное теплоснабжение без перспективы присоединения системы к теплофикационным сетям

Значение величины ΔP_н определяется, исходя из потери давления в системе отопления при предельно допустимой скорости движения воды в трубах, принимаемой по табл. 10.5 [5].

В общем случае значение величины ΔP_н для системы отопления отдельных зданий обычно не превышает 12 кПа.

Естественное циркуляционное давление в формуле (2.55) определяется следующим образом:

(2.91)

где - естественное циркуляционное давление, возникающее в расчетном кольце системы вследствие охлаждения воды в отопительных приборах, Па;

- естественное циркуляционное давление, возникающее в расчетном кольце системы вследствие охлаждения воды в трубах, Па.

Значение величины определяется по формулам!

а) вертикальная однотрубная система с N приборами в стояке, входящей в расчетное кольцо

(2.92)

где β -среднее приращение плотности воды при понижении ее температуры на 1°С, кг/(м³∙˚С); принимается по табл. 10.4 [5] (при t_г - t_о=95-70˚С β=0,64);

g - ускорение свободного падения, м/с²;

t_г и t_о - расчетная температура, соответственно, горячей и обратной воды, ˚С;

Q_нг.i - тепловая нагрузка i-того прибора, Вт; определяется по формуле(2.15);

h_i - вертикальное расстояние от условного центра охлаждения воды в приборе до центра ее нагревания в системе, м;

Q_ст – тепловая нагрузка стояка ,Вт определяется по формуле (2.35).

б) двухтрубная система отопления (расчетное кольцо через отопительный прибор на i-том этаже)

(2.93)

где величины те же, что в формуле (2.57).

Значение величины находят по рис.11.1 приложения 11 [5] или по формуле:

(2.94)

где β и g -то же что в формуле (2.57);

N - число участков в кольце, шт;

h_i - вертикальное расстояние от условного центра охлаждения воды в i-том участке до центра ее нагревания в системе, м;

t_i и t_i+1 - температура воды, соответственно, в начале и конце i-того участка, ˚С.

В насосных системах допустимо не учитывать давление , если оно составляет менее 0,10∙ .

Гидравлический расчет системы водяного отопления, как правило выполняют двумя основными способами.

По первому способу гидравлический расчет системы водяного отопления проводят по удельной линейной потере давления.

По второму способу гидравлический расчет системы водяного отопления проводят по характеристикам сопротивления и проводимостям.

2.6.3. Гидравлический расчет системы водяного отопления по удельной линейной потере давления

Результаты расчета заносятся в таблицу, форма которой приведена в приложении 6.

При расчете по этому способу диаметр труб подбирают при равных (постоянных) перепадах температуры воды во всех стояках (или ветвях), таких же как расчетный перепад температуры во всей системе :

(2.95)

где ;

- то же, что в формуле (2.37).

Потери давления на участке теплопровода в этом случае определяются по формуле:

(2.96)

где R - удельная потеря давления на трение на длине 1м; Па/м; рекомендации по ее определению приведены ниже;

l - длина участка, м;

z - потери давления в местных сопротивлениях участка, Па; рекомендации по их определению приведены ниже.

Значение величины R принимается по таблице 11.1 и 11.2 приложения 11 [5] или определяется по формуле:

(2.97)

где λ - коэффициент гидравлического трения; определяется по формулам (2.62) и (2.63);

d_в - внутренний диаметр трубы, м;

ρ и ω - соответственно, средняя плотность, кг/м³ и скорость движения, м/с, воды на участке.

Значение коэффициента λ определяется по формулам:

а) турбулентное движение воды в трубах

(2.98)

(2.98^*)

где Re - число Рейнольдса ( );

ω и d_в - то же, что в формуле (2.62);

ν - кинематическая вязкость воды, м²/с;

k_э - эквивалентная шероховатость внутренней поверхности труб (k_э=0,2 мм).

Турбулентное движение воды наблюдается в трубах современных насосных систем (особенно однотрубных) многоэтажных зданий;

б) ламинарное движение воды в трубах (Re=300-7000)

(2.99)

где Re, k_э, d_в - то же, что в формуле (2.63).

Ламинарное движение встречаемся в чугунных отопительных приборах и в трубах систем с естественной циркуляцией воды малоэтажных зданий.

Потери давления в местных сопротивлениях участка определяются по табл.11.3 приложения 11 [5] или по формуле:

(2.100)

где Σζ - сумма коэффициентов местных сопротивлений на участке; определяются по табл.10.8 и 10.9 [5], а также по табл.11.12 - 11.20 приложения 11 [5];

ρ и ω - то же, что в формуле (2.62).

Гидравлический расчет системы отопления по удельной линейной потере давления проводят в следующей последовательности:

а) расчет основного циркуляционного кольца

1) По формуле (2.55) вычисляют расчетное циркуляционное давление ΔP в системе отопления;

2) На схеме системы отопления выявляют ее основное циркуляционное кольцо, имеющее наименьшее значение

(2.101)

где Σl -длина основного циркуляционного кольца, м; определяется по схеме как сумма длин участков, составляющих это кольцо.

В вертикальной однотрубной системе с тупиковым движением воды в магистралях - это кольцо через наиболее нагруженный и удаленный от теплового пункта стояк (тупиковый стояк).

В качестве основного циркуляционного кольца в вертикальной однотрубной системе с попутным движением воды в магистралях принимается кольцо через один из средних наиболее нагруженных стояков.

В вертикальной двухтрубной системе с тупиковым движением воды в магистралях основное циркуляционное кольцо проходит через нижний прибор наиболее нагруженного и удаленного от теплового пункта стояка.

При попутном движении воды в магистралях вертикальной двухтрубной системы основное циркуляционное кольцо проходит через нижний прибор среднего наиболее нагруженного стояка;

3) на расчетных участках основного циркуляционного кольца определяют расход воды по формуле:

(2.102)

где Q -тепловая нагрузка участка, Вт; определяется путем суммирования тепловых нагрузок последующих участков, по которым распределяется расход G;

с, t_г, t_о, β₁, β₂ - то же, что в формуле (2.37);

4) вычисляют среднее ориентировочное значение удельной линейной потери давления:

(2.103)

где ΔP_р и Σl -то же что в формуле (2.66);

5) по значениям величин R_ср и G, используя табл.11.1 и 11.2 приложения 11 [5], определяют условный диаметр труб d_y на участках и скорость движения воды ω в них.

Внутренний диаметр труб на участках основного циркуляционного кольца и скорость движения воды в них можно найти также по формулам:

(2.104)

(2.105)

где G - расход воды на участке ,кг/ч; определяется по формуле (2.67):

R_cр - то же, что в формуле (2.68);

π=3,14

λ и ρ – то же, что в формуле (2.62).

При этом прежде чем рассчитать значение скорости ω, необходимо рассчетное значение внутреннего диаметра скорректировать по справочной литературе [5] с учетом реально выпускаемого сортамента труб.

При подборе диаметра труб необходимо иметь ввиду, что скорость движения воды в вертикальных трубопроводах рекомендуется принимать не менее 0,2-0,25 м/с, а в наклонных и горизонтальных - не менее 0,10-0,15 м/с. Наибольшая допустимая скорость движения воды в трубах систем отопления указана в табл.10.5 [5] или в приложении 13 [4];

6) принимая во внимание найденные значения величин d_в и ω по табл.11.1 и 11.2 приложения 11 [5] или по формуле (2.62) определяют удельную линейную потерю давления R ,а также вычисляют произведение :

7) по табл.11.3 приложения 11 [5] или по формуле (2.65) определяется потеря давления 2 в местных сопротивлениях (тройниках, крестовинах, отводах, задвижках, сужениях и т.д.) каждого участка. При этом необходимо иметь ввиду следующее. Местное сопротивление тройников и крестовин относят лишь к расчетным участкам с наименьшим расходом воды. Местные сопротивления отопительных приборов, теплообменников и другого оборудования учитывают поровну в каждом примыкающем к ним участке.

8) на каждом участке основного циркуляционного кольца по формуле (2.61) находится потеря давления ΔP_р;

9) общие потери давления в основном циркуляционном кольце (в системе отопления) равны:

(2.106)

где N - число последовательно соединенных участков системы отопления, образующих ее основное циркуляционное кольцо.

При расчете основного кольца необходимо предусматривать запас давления на неучтенные потери в размере до 10% расчетного циркуляционного давления:

(2.107)

Запас циркуляционного давления вычисляется следующим образом:

(2.108)

б) расчет второстепенных циркуляционных колец системы отопления

Второстепенные циркуляционные кольца - это те кольца, которые проходят через промежуточные (нехарактерные) стояки системы отопления.

Гидравлический расчет второстепенных колец заключается в том, чтобы «увязать» потери давления в этих кольцах с потерями давления в основном кольце. При этом «увязать» - это значит обеспечить равенство потерь давления в основном и второстепенных циркуляционных кольцах.

Вполне очевидно, что у любого второстепенного кольца имеются общие с основным кольцом участки. Например, в системах отопления с тупиковым, движением воды в магистралях общими (одними и теми же) участками являются участки магистралей до рассматриваемого промежуточного стояка.

Поэтому потери давления, как правило, «увязывают» в двух параллельно соединенных участках, один из которых - рассматриваемый промежуточный стояк, а другой - часть основного кольца, замыкающая рассматриваемый промежуточный стояк.

Соответственно, в стояках второстепенных колец потери давления определяются из равенства:

, (2.109)

где - располагаемое циркуляционное давление для рассматриваемого промежуточного стояка, Па.

Значение величины определяется следующим образом:

а) однотрубная система

(2.110)

где - потери давления на участках основного кольца, замыкающих рассматриваемый стояк; Па; принимаются из расчета основного циркуляционного кольца;

- поправка на разность естественного циркуляционного во второстепенном и основном кольцах; Па; величины определяются по формуле (2.56);

б) двухтрубная система

(2.111)

Вычислив значение величины находят по формуле (2.68) среднее ориентировочное значение удельной линейной потери давления R_ср во второстепенном кольце. После этого проводят гидравлический расчет участков рассматриваемого стояка в такой же последовательности, как и участков стояка основного циркуляционного кольца. В результате этого расчета определяют диаметр стояка и фактические потери давления в нем.

Из-за ограниченного сортамента труб невязка (расхождение) между потерями давления и располагаемым давлением в промежуточных стояках систем отопления с тупиковым движением воды допускается до 15%:

(2.112)

В системах с попутным движением воды, состоящих из циркуляционных колец одинаковой длины, сравнительно легко добиться выполнения равенства по формуле (2.74). Поэтому для этих систем отопления невязка при расчете допускается не более 5%.

В курсовой работе рекомендуется рассчитать только второстепенное циркуляционное кольцо. В качестве такого кольца в системе отопления следует принять гидравлически наиболее благоприятное кольцо.

Для увязки потерь давления в системах с тупиковым движением воды в магистралях могут применяться составные стояки из труб различного диаметра. В первую очередь изменяют диаметр труб, соединяющих стояки с магистралями.

При невозможности увязки потерь давления путем изменения диаметра труб гидравлический расчет выполняют по характеристикам сопротивления и проводимостям (см. далее).