4.12. Принципы гидравлического расчета систем

водяного отопления

Система отопления представляет собой разветвленную сеть трубопроводов, по каждому участку которой должно проходить расчетное количество воды. Задача гидравлического расчета состоит в обоснованном выборе экономичных диаметров труб с учетом принятых перепадов давлений и расходов теплоносителя. Гидравлический расчет сети заключается в подборе диаметров отдельных участков трубопроводов при заданной тепловой нагрузке и расчетном циркуляционном давлении, установленном для данной системы. Должна быть гарантирована подача теплоносителя во все части системы отопления для обеспечения расчетных тепловых нагрузок нагревательных приборов.

До гидравлического расчета трубопроводов выполняют аксонометрическую схему системы отопления со всей запорно-регулирующей арматурой. Принципиальную схему системы отопления выбирают в зависимости от назначения здания, архитектурно-планировочных решений (размеров, этажности и др.). К составлению такой схемы приступают после того, как подсчитана тепловая мощность системы отопления здания, выбран тип отопительных приборов и определено их число для каждого помещения, размещены на поэтажных планах здания отопительные приборы, подающие и обратные стояки, на планах чердака и подвала (или этажа, если здание одноэтажное) нанесены подающие и обратные магистрали, выбрано место для теплового пункта, показано на плане чердака или верхнего этажа размещение расширительного бака и приборов воздухоудаления. На планах подающие и обратные стояки системы отопления должны быть пронумерованы, а на аксонометрической схеме кроме стояков нумеруют все расчетные участки циркуляционных колец, а также указывают тепловую нагрузку и длину каждого участка. Расчетным участком называют участок трубопровода одного диаметра с постоянным расходом теплоносителя. Сумма длин всех расчетных участков составляет величину циркуляционного кольца. Пример расчетной схемы системы отопления приведен на рис. 4.16. Для точного учета местных сопротивлений на всех расчетных схемах должны быть указаны все изгибы труб, запорно-регулирующая арматура, вспомогательные устройства и оборудование. Расчетные схемы обычно выполняют в масштабе 1:100.

На схему системы отопления должны быть нанесены тепловые нагрузки нагревательных приборов и всех расчетных участков по отдельным циркуляционным кольцам. Для каждого расчетного участка надо указывать порядковый номер, длину, тепловую нагрузку и (или) расход теплоносителя. Нумеруют участки по каждому циркуляционному кольцу по ходу движения теплоносителя.

Рис. 4.16. Пример оформления схемы системы отопления к гидравлическому расчету системы отопления

Г.ст., Ст.1, Ст.2 – главный, первый, второй стояки; Q – тепловая нагрузка на участке (или нагревательного прибора), Вт; G – расход теплоносителя на участке, кг/час; l – длина участка, м

Из гидравлики известно, что при движении реальной жидкости по трубам всегда имеют место потери давления на преодоление сопротивления двух видов: сопротивления трения – и местных сопротивлений – ΔР_{м с}. К местным сопротивлениям относятся тройники, крестовины, отводы, вентили, краны, отопительные приборы, теплообменники и т.д.

Потери давления, , на преодоление трения на участке трубопровода с постоянным расходом движущейся среды (воды, пара) и неизменным диаметром определяют по формуле

, Па, (4.33)

где λ – коэффициент гидравлического трения (безразмерная величина); d – диаметр трубопровода, м; W – скорость движения воды в трубопроводе, м/с; ρ – плотность движущейся среды, кг/м³; R – удельные потери давления на трение, Па/м; l – длина участка трубопровода, м.

Потери давления, , на преодоление местных сопротивлений

, Па, (4.34)

где Σζ – сумма коэффициентов местных сопротивлений (к.м.с.) на данном участке трубопровода, определяют по таблицам из справочной литературы, величина безразмерная; – динамическое давление воды на данном участке трубопровода, Па.

Суммарные потери давления, возникающие при движении воды в трубопроводе циркуляционного кольца, должны быть меньше расчетно-циркуляционного давления, устанавливаемого для данной системы. Под расчетным циркуляционным давлением понимается давление, необходимое для поддержания принятого гидравлического режима системы отопления. Это то давление, которое может быть израсходовано в расчетных условиях на преодоление гидравлических сопротивлений в системе.

При расчете главного циркуляционного кольца (наиболее неблагоприятного в гидравлическом отношении циркуляционного контура) рекомендуется предусматривать запас давления на неучтенные сопротивления, но не более 10% расчетного давления:

Σ(R·l + Z)_г.ц.к. = 0,9·ΔP_р , Па. (4.35)

Расчет начинают с основного циркуляционного кольца системы, то есть с того кольца, которое наиболее протяженное и с большими тепловыми нагрузками. В тупиковых схемах однотрубных систем за основное циркуляционное кольцо принимается кольцо, проходящее через дальний стояк, а в двухтрубных системах – кольцо, проходящее через нижний прибор дальнего стояка.

От протяженности кольца зависят потери напора ΔР, от тепловой нагрузки зависит расход воды в трубах кольца.

Обычно известно так называемое располагаемое давление — , в некоторых случаях в зависимости от рассчитанных потерь давления ΔР подбирают насос для обеспечения циркуляции воды в системе отопления.

Гидравлический расчет трубопроводов систем водяного отопления выполняют различными методами. Наибольшее распространение получили методы расчета трубопроводов по удельным потерям и по характеристикам сопротивления.

Расчет по удельным потерям заключается в раздельном определении потерь давления на трение и в местных сопротивлениях. При этом диаметры трубопроводов определяют при постоянных перепадах температуры воды во всех стояках и ветвях системы отопления Δt_ст, равных расчетному перепаду температуры воды во всей системе Δt_сист.

При расчете по характеристикам сопротивления устанавливают распределение потоков воды в циркуляционных кольцах системы и получают переменные (неравные) перепады температуры воды в стояках и ветвях.

Расчет по линейным потерям давления

Расчет сети заключается в выборе диаметров труб на каждом участке. При этом ориентируются на величину потерь давления, определяемую по формуле:

, Па/м, (4.36)

где K –коэффициент, учитывающий долю местных потерь давления в системе, для систем отопления с естественной циркуляцией воды K = 0,5, для систем отопления с насосной циркуляцией воды K = 0,35; Σl – общая длина последовательных участков, составляющих расчетное циркуляционное кольцо, м.

Определяют по формуле (4.21) расход воды через каждый нагревательный прибор для обеспечения необходимой теплоотдачи

, кг/час,

затем определяют расход воды по каждому расчетному участку циркуляционного кольца. Для каждого из участков суммируют расходы воды через все приборы, в которые поступает вода через данный участок (или удаляется в обратную сеть).

Затем подбирают диаметры труб по таблицам для гидравлического расчета систем отопления из справочной литературы, ориентируясь на среднюю величину потерь давления, рассчитанную по формуле (4.36). При выборе диаметра труб учитывают максимально допустимое значение скорости движения воды, табл. 4.9, а также минимальный расход воды в стояках с радиаторными узлами, табл. 4.10.

Таблица 4.9

Допустимая скорость движения воды W_доп в трубах систем отопления

из условия бесшумности

Условный диаметр труб, мм	Максимальная скорость из условия бесшумности Wmax , м/с	Соответствующий расход воды Gmax , кг/ч
15	0,5	350
20	0,65	810
25	0,8	1600
32	1,0	3500
40	1,5	6970
50	1,5	11700
65	1,5	20100
80	1,5	27600
100	1,5	41400
Примечание. При отоплении производственных зданий значение Wmax можно увеличить в 2 раза.

Таблица 4.10

Минимальный расход воды при движении ее снизу—вверх в однотрубных

стояках с радиаторными узлами, имеющими смещенные замыкающие

участки (высотой 0,5 м) и краны КРП

Расчетная температура воды в стояке tг - tо , °С	Диаметр условного прохода труб, мм			Минимальный расход воды Gст , кг/ч
	стояка	замыкающего участка	подводок
95 - 70	15	15	15	200
105 - 70				220
95 - 70	20	20	20	150
105 - 70				170
95 - 70	25	25	25	330
105 - 70				360

Итак, суммарные потери давления в основном расчетном кольце определяются из выражения

, Па, (4.37)

где Z_i – потери давления на преодоление местных сопротивлений, которые определяют по формуле (4.34).

Коэффициенты местных сопротивлений ζ_i определяют по справочной литературе.

Результаты расчета заносятся в таблицу 4.11.

Таблица 4.11

Таблица гидравлического расчета

Данные по схеме системы				Принято							Разница Rl+Z, Па
Уча-сток	Q, Вт	G, кг/час	l, м	Dу , мм	W, м/с	R, Па/м	Rl, Па	Σ	Z, Па	Rl+Z, Па
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12

В таблице 4.11 Q – тепловая нагрузка на участке; G – расход теплоносителя на участке; l – длина участка; D_у – условный диаметр трубопровода; W – скорость воды в трубопроводе; R – потери давления на преодоление сил трения на 1 м трубопровода; Rl – потери давления на преодоление сил трения на участке; Σ – сумма коэффициентов местных сопротивлений на участке; Z – потери давления на преодоление местных сопротивлений; (Rl+Z) – потери давления на участке; в столбце 12 указывается разность потерь давления между сравниваемыми циркуляционными кольцами.

В таблицу после расчета основного кольца заносят результаты расчета потерь давления в параллельных участках. Эти потери должны равняться потерям давления в основном кольце. Невязка может составлять не более 10%. Если она больше, то изменяют диаметры труб и расчет корректируется.

В результате расчета потери давления в основном циркуляционном кольце должны быть меньше располагаемого давления ΔР_р примерно на 10%. В случае проведения гидравлического расчета для подбора насоса последний следует подбирать на создаваемое давление, большее примерно на 10% потерь в главном циркуляционном кольце.

Расчет по характеристикам сопротивления

Применяют для расчета систем с кранами повышенного сопротивления (для многоэтажных зданий). В результате расчета определяют потокораспределение в системе между ветвями, стояками и приборами при скорости воды более 0,8 м/с с отклонениями от действительного до 5% при скорости не ниже 0,3 м/с.

Для наиболее распространенных вертикальных однотрубных систем диаметры труб определяют, исходя из расчетного циркуляционного давления, что важно для многоэтажных зданий.

Расчет начинают с последнего стояка (тупиковая система), задаваясь расходом воды в нём, соответствующим перепадом температур в стояке Δt_c (например 95—70°С, 105—70°С).

Порядок расчета следующий:

а) определяют по формуле (4.21) расход воды (G, кг/час) через каждый нагревательный прибор для обеспечения необходимой теплоотдачи (Q, Вт), затем определяют ориентировочный расход воды (G_ор, кг/час) по каждому расчетному участку циркуляционного кольца и по формуле (4.36) среднюю величину потерь давления (R_ср, Па/м) в системе;

б) рассчитывают для каждого участка удельную характеристику сопротивления по формуле

, , (4.38)

где G_ор – ориентировочный расход воды на участке, кг/ч;

в) определяют диаметр стояка, сопоставляя полученные значения S_уд с величинами S_уд для стандартных диаметров труб по табл. 4.12.

Таблица 4.12

Динамические характеристики труб насосных систем отопления

ГОСТ	Диаметр трубы, мм		Удельное динамическое давление A·104, Па/(кг/ч)2	Приведенный коэффициент гидравлического трения (среднее значение) λ/dв , м -1	Расход воды при скорости 1 м/с G/W, кг/ч м/с	Удельная характеристика сопротивления Sуд·104, Па/(кг/ч)2
	условного прохода Dу	внутренний dв
3262-75* обыкновенные	10 15 20 25 32 40 50	12,6 15,7 21,2 27,1 35,9 41 53	26,5 10,60 3,19 1,23 0,39 0,23 0,082	3,6 2,7 1,8 1,4 1,0 0,80 0,55	425 690 1250 2000 3500 4650 7800	95,40 28,62 5,74 1,72 0,39 0,18 0,045

С целью обеспечения тепловой устойчивости системы принимают для стояков – ближайший меньший диаметр, для магистралей – ближайший больший диаметр. При этом учитывают допустимые значения скорости воды в трубопроводах (табл. 4.9);

г) определяют характеристики сопротивления участков стояка с учетом их длины и коэффициентов местных сопротивлений по формуле

, Па/(кг/ч)², (4.39)

где А – удельное динамическое давление на участке, Па/(кг/ч)² ; – приведенный коэффициент гидравлического трения, м ^-1, принимаемые по табл. 4.12;

д) определяется характеристика сопротивления стояка (см. участки на рис. 4.16)

S_ст.1 = S₃ + S₄ + S₅ + S₆ + S₇ ; (4.40)

е) определяют проводимость стояка по формуле

, кг/ч·Па^0,5, (4.41)

или по шкале, рис. 4.17;

ж) определяют сопротивление стояка по G _ст.1 и σ_ст.1:

, Па ; (4.42)

и) определяют сопротивление параллельных участков. Допустима невязка между потерями давления на параллельных участках ≤ 10%.

Рис. 4.17. Шкала соотношения характеристики гидравлического сопротивления S, Па/(кг/ч)², и проводимости σ, кг/ч·Па^0,5, труб (значения даны увеличенными в 10⁴ раз)