Гидравлический расчёт трубопроводов системы отопления
Цель гидравлического расчёта – определение экономичных диаметров трубопроводов при заданных тепловых нагрузках и располагаемом перепаде давления теплоносителя.
Гидравлический расчёт выполняется после того, как вычерчена аксонометрическая схема и на неё нанесены все элементы (воздухосборники, запорно-регулирующая арматура и т.д.)
Гидравлический расчёт выполняется по методу удельных потерь давления [6]. Задача расчёта состоит в подборе диаметров отдельных участков циркуляционных колец таким образом, чтобы суммарные потери основного циркуляционного кольца отличались от располагаемого давления не более чем на 10%, а невязка потерь давления в других циркуляционных кольцах (без учёта давления в общих участках) не превышала 5% при попутной разводке трубопроводов. Расход теплоносителя Gw связан с расчётной тепловой нагрузкой Q, Вт, следующей зависимостью:
Gw = Q/(сw∙Δt),
где Δt – расчётный перепад температур, ºС; сw – удельная теплоёмкость воды, принимается равной 1,163 Вт·ч /(кг·ºС).
Падение давления ΔР складывается из потерь давления на трение по длине трубопровода l и потерь давления на преодоление местных сопротивлений:
ΔР = R∙l + Z,
где R – удельная потеря давления на 1 м длины, Па/м; l – длина трубопровода в м (под длиной трубопровода в двухтрубной системе понимается суммарная длина подающей и обратной магистрали);
Z – потери давления на местные сопротивления, Па, рассчитываются по уравнению
Z = ∑ξ·(ρw/2)∙ω²,
где
– сумма
коэффициентов местных сопротивления
на рассчитываемом участке трубопровода;
ω – скорость теплоносителя в трубе,
м/с; ρw
– плотность воды, кг/м3.
Данное уравнение можно упростить:
Z = ∑ξ·500∙ω².
Исходя из заданных расхода G и скорости ω (рекомендуемые скорости теплоносителя в металлополимерных трубопроводах допускается принимать на 20% больше, чем в стальных, но не более 1,5 м/c), выбирают диаметры трубопроводов по табл. 16
Для принятого диаметра d0 и заданного расхода Gw определяется удельная потеря давления R на погонный метр трубопровода по табл.17.
В табл.17 представлены гидравлические характеристики металлополимер-
ных труб различных фирм-изготовителей при t = 80 ºС. При средней температуре теплоносителя, отличной от 80 ºС, следует учесть согласно табл. 18 поправочный коэффициент а к значениям R, приведённым в табл. 17. Приt = 80 ºС и при том же значении G: Rt = R·a. Ориентировочные значения коэффициентов местных сопротивлений соединительных деталей элементов системы отопления приведены в табл. 19.
Таблица 16
Сортамент труб для систем отопления и рекомендуемые предельные значения расхода по ним горячей воды при twг.ср = 70°С
D0, мм |
10 |
15 |
20 |
25 |
32 |
40 |
50 |
65 |
dн, мм |
14 |
18 |
25 |
32 |
38 |
45 |
57 |
76 |
fтр.w, м² |
0,000079 |
0,000177 |
0,000314 |
0,00049 |
0,0008 |
0,00126 |
0,00196 |
0,00332 |
Gw при ω = 1,5 м/с |
414,4 |
933 |
1658 |
2591 |
4245 |
6633 |
10364 |
17516 |
dв, дюйм |
3/8 |
1/2 |
3/4 |
1 |
1 1/4 |
1 1/2 |
2 |
2 1/2 |
Масса, 1 м, кг |
0,592 |
0,789 |
1,13 |
1,48 |
2,19 |
2,62 |
4 |
5,4 |
Таблица 17
Гидравлические характеристики металлополимерных труб
при коэффициенте шероховатости 0,01мм
Потери давле-ния на трение R, Па/м |
Диаметр трубопровода dв/dн , мм |
|||||||||
10/14 |
12/16 |
14/18 |
16/20 |
20/25 |
||||||
Скорость движения теплоносителя ω, м/с |
Расход теплоносителя G, л/ч |
Скорость движения теплоносителя ω, м/с |
Расход теплоносителя G, л/ч |
Скорость движения теп-, лоноси-теля ω, м/с |
Расход тепло- носи- теля G, л/ч |
Скорость движения теплоносителя ω, м/с |
Расход теплоносителя G, л/ч |
Скорость движения теплоносителя ω, м/с |
Расход теплоносителя G, л/ч |
|
0,49 |
|
|
|
|
0,01 |
5,40 |
0,010 |
6,64 |
0,010 |
11,25 |
0,98 |
0,010 |
2,65 |
0,010 |
3,95 |
0,01 |
5,40 |
0,020 |
13,27 |
0,020 |
22,50 |
1,96 |
0,020 |
5,29 |
0,020 |
7,90 |
0,02 |
10,79 |
0,030 |
19,91 |
0,030 |
33,74 |
3,92 |
0,030 |
7,94 |
0,030 |
11,84 |
0,04 |
21,59 |
0,040 |
26,55 |
0,050 |
56,24 |
5,88 |
0,040 |
10,58 |
0,040 |
15,79 |
0,05 |
26,99 |
0,060 |
39,82 |
0,070 |
78,73 |
7,84 |
0,040 |
10,58 |
0,050 |
19,74 |
0,06 |
32,38 |
0,070 |
46,46 |
0,080 |
89,98 |
9,81 |
0,050 |
13,23 |
0,060 |
23,69 |
0,07 |
37,78 |
0,080 |
53,10 |
0,100 |
112,48 |
19,62 |
0,080 |
21,16 |
0,100 |
39,48 |
0,11 |
59,37 |
0,120 |
79,64 |
.0,150 |
168,71 |
39,23 |
0,130 |
34,39 |
0,150 |
59,22 |
0,17 |
91,76 |
0,180 |
119,47 |
0,220 |
247,45 |
58,84 |
0,160 |
42,32 |
0,190 |
75,02 |
0,21 |
113,35 |
0,230 |
152,65 |
0,280 |
314,93 |
78,45 |
0,190 |
50,26 |
0,220 |
86,86 |
0,25 |
134,94 |
0,270 |
179,20 |
0,330 |
371,17 |
98,06 |
0,220 |
58,20 |
0,250 |
98,71 |
0,28 |
151,13 |
0,310 |
205,75 |
0,370 |
416,16 |
117,68 |
0,240 |
63,49 |
0,280 |
110,55 |
0,31 |
167,32 |
0,340 |
225,66 |
0,410 |
461,15 |
137,29 |
0,260 |
68,78 |
0,310 |
122,40 |
0,34 |
183,51 |
0,370 |
245,57 |
0,450 |
506,14 |
156,90 |
0,280 |
74,07 |
0,330 |
130,29 |
0,37 |
199,71 |
0,400 |
265,48 |
0,480 |
539,88 |
196,13 |
0,320 |
84,65 |
0,380 |
150,03 |
0,42 |
226,69 |
0,450 |
298,67 |
0,550 |
618,62 |
215,74 |
0,340 |
89,94 |
0,400 |
157,93 |
0,44 |
237,49 |
0,480 |
318,58 |
0,580 |
652,36 |
235,36 |
0,360 |
95,23 |
0,420 |
165,83 |
0,47 |
253,68 |
0,500 |
331,85 |
0,600 |
674,85 |
254,97 |
0,380 |
100,52 |
0,440 |
173,72 |
0,49 |
264,47 |
0,520 |
345,13 |
0,630 |
708,60 |
274,58 |
0,390 |
103,17 |
0,450 |
177,67 |
0,51 |
275,27 |
0,550 |
365,04 |
0,660 |
742,34 |
294,20 |
0,410 |
108,46 |
0,470 |
185,57 |
0,53 |
286,06 |
0,570 |
378,31 |
0,680 |
764,83 |
313,81 |
0,420 |
111,10 |
0,490 |
193,47 |
0,55 |
296,86 |
0,590 |
391,58 |
0,710 |
798,58 |
333,42 |
0,440 |
116,39 |
0,510 |
201,36 |
0,57 |
307,65 |
0,610 |
404,86 |
0,730 |
821,07 |
353,04 |
0,450 |
119,04 |
0,520 |
205,31 |
0,58 |
313,05 |
0,630 |
418,13 | |
0,760 |
854,81 |
Значения коэффициентов для таких местных сопротивлений, как отопительные приборы, регулировочные вентили, клапаны, распределительные коллекторы и т.п. представлены в справочных изданиях фирм-изготовителей. Форма таблицы гидравлического расчёта трубопроводов системы водяного отопления приведена в табл. 3 прил. 1.
При проведении приближённых гидравлических расчётов потери давления в местных сопротивлениях системы водяного отопления допускается принимать в количестве 10% от потерь давления на трение.
Таблица 18
Значения поправочного коэффициента а
Средняя температура теплоносителя в трубах, ºС |
90 |
80 |
70 |
60 |
50 |
40 |
Коэффициент а |
0,98 |
1,0 |
1,02 |
1,05 |
1,08 |
1,11 |
Таблица 19
Коэффициенты местных сопротивлений
№ п.п. |
Детали |
Значение коэффициента |
1 |
Отвод с радиусом закругления ≥5d: 90º,45º |
0,3-0,5 |
2 |
Тройники: на проход |
0,5 |
3 |
на ответвление 90º |
1,5 |
4 |
на слияние 90º |
1,5 |
5 |
на разделение потока |
3,0 |
6 |
Крестовина: на проход |
2,0 |
7 |
на ответвление |
3,0 |
8 |
Отступ |
0,5 |
9 |
Обход |
1,0 |
10 |
Внезапное расширение, сужение |
1,0 0,5 |
Пример 3. Гидравлический расчёт поквартирной системы отопления
с автономным источником теплоснабжения
Исходные данные. На рис. 1 представлена аксонометрическая схема системы отопления трёхкомнатной квартиры с настенным газовым котлом (с автоматическим переключением мощности на горячее водоснабжение) и требуемой покомнатной мощностью отопительных приборов.
Расчётная потребность теплоты на отоплении квартиры Qr = 6400 Вт.
Расчётный расход теплоты на горячее водоснабжение составляет 50 кг/ч.
В квартире общей площадью 63 м2 применена двухконтурная тупиковая горизонтальная разводка теплопроводов из металлопластиковых труб с условным диаметров d0 = 15 мм. Температура горячей воды t1 = 80 ºС, ρw1= 972 кг/м3, обратной t2 = 60 ºC и ρw2 = 983 кг/м3. Температурный перепад в системе Δt = 20 ºС.
В качестве отопительного прибора принят конвертор «Сантехпром АвтоС» типа КСК 20-2,696 со встроенным автоматическим терморегулятором RTD-№15, для которого при положении термостатической головки
«N» гидравлическое сопротивлении равно 60000 Па [7].
Рис. 1. Аксонометрическая схема поквартирной системы отопления
с автономным источником теплоснабжения:
1 – газовый котёл; 2 – циркуляционный насос; 3 – теплообменник нагрева воды в котле для системы отопления; 4, 7 – подающие и обратные металло-полимерные трубопроводы; 5 – конвектор; 6 – угловой терморегулятор RTD-N-15, встроенный в конвектор
.
Требуется на основании поэтажного плана с радиаторной разводкой, рассчитанной тепловой мощностью системы и заданным перепадом температур определить потери давления в системе отопления и подобрать циркуляционный насос.
Решение
1. На аксонометрической схеме системы отопления определяют контуры основного циркуляционного кольца: котёл – подающая магистраль – система отопления квартиры – обратная магистраль – котёл. Гидравлический расчёт будет выполняться для циркуляционного кольца с большей тепловой нагрузкой: “а – б – в – г – К2 – г' – в' – з' – и“. Вычисляем расход воды Gw, кг/ч, циркулирующий в системе отопления:
275 .
2. Определяем скорость движения воды ω, м/с, на начальном участке циркуляционного кольца “а –б“ по трубам длиной l = 0,8 м, d0 = 15 мм и с площадью внутреннего сечения fтр.м = 0,000177 м2:
Потери давления на трение ΔРтр.а-б, Па, при значении удельной потери давления R = 186,2 Па/м (табл.17) составят
Па,
на
местные сопротивления при
(котёл и внезапное сужение по табл.19):
Па.
3. В тройнике точки “б” горячая вода после котла разделяется на два потока Gw, кг/ч:
участок
“б
- в”
;
участок
“б
- д”
.
4. Вычисляем потери
давления на участке “б
- в” длиной
15 м, скорость воды в трубе
м/с,
удельная потеря давления на трение
R=73,1 Па/м
(табл. 17), потери давления по длине
участка:
Па;
на
местные сопротивления при
(тройник на разделении потока и отвод
с радиусом закругления
5d0):
Па.
Итого:
Па.
5. От участка “б - в” в точке “в” происходит ответвление к конвекто-
ру К1 горячей воды в количестве
кг/ч.
6. Выполняем расчёт потерь давления дальнего участка циркуляционного кольца “ в -г- К2 -г - в ”. Через это кольцо проходит расход горячей воды:
кг/ч.
На
участке подающих и обратных трубопроводов
“в
- г”
и “
-
”
при l
=
4·2 = 8 м скорость воды ω, м/с, составит
;
R
=
32,6 Па/м,
тогда
потери давления на трение по длине
участка будут равны:
Па;
потерь давления на местные сопротивления
на участке нет.
На двух присоединительных – подающем и обратном – трубопрово-
дах “г – К2” и “К2 - г” d0=15 мм имеются по два отвода на 90°, тогда общее местное сопротивление на участке составит
.
Вычислим соответствующие им потери давления на трение при l=0,8м и R=32,6 Па/м:
Па;
на местные сопротивления:
Па.
Итого: 26+34=60 Па.
Потери давления в конвекторе составляют 60000 Па. В номинальном режиме расход равен 360 кг/ч, в рассматриваемом примере – 86 кг/ч. Потери давления при снижении расхода воды через конвектор, если открыта термостатическая головка, составят
Па,
тогда общие потери давления на участке будут равны:
Па.
7. Потери давления на участке “ в – К1 - в” должны быть также равны 14654 Па. Участок подающих и обратных трубопроводов имеет одинаковые потери давления 60 Па (см. п. 6).
В конвекторе и терморегуляторе на RTD–N15 дополнительное наладочное сопротивление должно быть:
Па.
При такой малой разнице давлений между конвекторами К1 и К2 наладочная регулировка не требуется (наладку проводят при невязке потерь давления в циркуляционных кольцах, превышающей 5 %).
8.
Общие потери давления в циркуляционном
кольце “а
– б –
– К2 -
-
- u”:
Правое циркуляционное кольцо с конвекторами К4 и К5 имеет такие же потери давления.
9. Циркуляционный насос, встроенный в котёл, дополнительно преодолевает гидравлическое сопротивление водонагревающего теплообмен-
ника величиной ΔP=21 кПа.
Общий напор циркуляционного насоса составит
Подача насоса складывается из расхода горячей воды на нужды отопления – 275 кг/ч и горячего водоснабжения – 50 кг/ч:
.325
кг/ч = 0,325 м3/ч.
По каталогу фирмы “Грундфосс” подбираем циркуляционный бессальниковый насос серии 100 типа UPS 25–50 с электродвигателем мощностью Nнас = 60 Вт.