3. Тепловий розрахунок опалювальних приладів

Метою теплового розрахунку опалювальних приладів є підбір типорозмірів конвекторів і сталевих радіаторів або визначення кількості секцій чавунних радіаторів, для забезпечення потрібного теплового потоку в приміщення.

За сучасною методикою випробування опалювальних приладів для визначення їх номінального теплового потоку q_н виконуються за таких нормованих умов:

- температурний напір /різниця середньої температури води з опалювальному приладі і температури повітря в приміщенні / ∆t_н=70⁰С;

- витрата води в опалювальному приладі G_н =360 кг/год (0,1 кг/с);

- схема руху води в опалювальному приладі – "зверху-вниз";

Тепловий потік опалювального приладу, q_пр , Вт, при умовах, що відрізняються від нормованих, визначають за формулою:

q_пр = q_н , (13)

де q_н – номінальний тепловий потік опалювальних приладів при нормованих умовах, Вт (див.дод.10); ∆t_р – розрахунковий температурний напір в опалювальному приладі, °С, ∆t_р =;Gр – розрахункова витрата води в опалювальному приладі, кг/год; n, p - емпіричні показники степеня ; значення цих показників для деяких опалювальних приладів наведені в табл.9; b – коефіцієнт, який залежить від розрахункового барометричного тиску Р_б, можна прийняти b = 1; с – коефіцієнт, який враховує схему руху води в опалювальному приладі: беруть за даними табл.9; – коефіцієнт, який враховує зменшення теплового потоку опалювального приладу при русі води в ньому за схемою "знизу-вгору"; для чавунних секційних радіаторів, і конвекторів типу "Акорд" у даній роботі можна взяти=0,9.

– коефіцієнт на число рядів опалювальних приладів по вертикалі, який враховує зменшення теплового потоку верхніх приладів, що омиваються нагрітим потоком повітря від нижче розташованих приладів. Для конвекторів типу "Акорд", розміщуваних у два ряди по вертикалі, приймають =0,92; – поправочний коефіцієнт, який враховує зменшення теплового потоку опалювальних приладів, розміщених у два ряди у глибину, при такому розміщенні конвекторів типу "Акорд" =0.94.

Таблиця 9

Значення показників n, р, c для визначення теплового потоку опалювальних приладів

Тип опалювального приладу	Схема руху води в приладі	Витрата води G, кг/год	Показники
			n	p	c
Радіатор чавунний секційний МС-140-108, ТОВ „Прес” секційний, регісторний	Зверху-вниз	18-54 54-536 536-900	0,3 0,3 0,3	0,02 0 0,01	1,039 1 0,996
	Знизу-вниз	18-115 119-900	0,15 0,15	0,08 0	1,092 1
	Знизу-вгору	18-61 65-900	0,25 0,25	0,12 0,04	1,113 0,97
Конвектор настінний з кожухом типу „Комфорт”	-	36-86 90-900	0,35 0,35	0,18 0,07	1 1
Конвектор настінний без кожуха типу „Акорд”	Будь-яка	36-900	0,2	0,03	1
Радіатор алюмінієвий секційний типу „Калідор”	Знизу-вниз	20-102	0,32-0,37	0	1

Отже, потрібний тепловий потік, Вт, опалювального приладу, зведеного до нормованих умов, треба визначати за формулою:

=. (14)

Розрахункову теплову потужність Q_о.п., Вт, опалювального приладу потрібно визначати за формулою:

Q_о.п.=( Q₁ -0,9 Q_тр )b₂b₃, (15)

де Q₁ – тепловтрати приміщення, Вт; Q_тр – тепловий потік, Вт, від неізольованих трубопроводів системи опалення, прокладених в приміщенні; b₂ – коефіцієнт, який враховує додаткові витрати теплоти опалювальними приладами, розміщеними біля зовнішніх стін; b₂ = 1,01; b₃ – коефіцієнт, що враховує спосіб установки опалювальних приладів. Для опалювальних приладів, встановлених відкрито біля стіни або в ніші, b₃ = 1,0; для приладів, закритих декоративною решіткою, яка не дістає до підлоги 100 мм, b₃ = 1,15.

Тепловіддачу, Вт, відкрито прокладених сталевих труб в опалюваному приміщенні визначають за формулою:

Q_тр=q_тр(l_в – 1,28l_г), (16)

де q_тр – тепловий потік 1 м відкрито прокладених у приміщенні вертикальних сталевих труб залежно від діаметра і температурного напору ∆t^тр_Т, визначається за графіком на рис.4; l_в – довжина вертикальних труб, м; l_г – довжина горизонтально прокладених труб, м.

Температурний напір ∆t^тр_Т рекомендується визначати так:

• в однотрубних вертикальних системах опалення ∆t^тр_Т=∆t_Т, тобто, такий за величиною, як і температурний напір для опалювального приладу, що розраховується;

• в однотрубних горизонтальних системах опалення: для трубопроводів гарячої і охолодженої води відповідно ∆t^тр.г_Т =t_г – t_вн і ∆t^тр.о_Т= t_о – t_в.

Температурний напір, в опалювальному приладі визначають за формулою:

∆t_Т =t_вх - , (17)

де t_вх – температура води, що надходить в опалювальний прилад, ⁰С; t_о.п. – перепад температур води в опалювальному приладі, ⁰С; t_вн – розрахункова температура повітря в приміщенні, °С.

У двотрубних системах водяного опалення температура води t_вх, що надходить у кожний опалювальний прилад, дорівнює розрахунковій температурі гарячої води t_г, тобто t_вх = t_г.

Рис. 4. Графік для визначення теплового потоку 1 м відкрито

прокладених у приміщенні вертикальних сталевих труб

В однотрубних системах водяного опалення температуру води, що надходить в кожний опалювальний прилад, визначають за такими формулами:

для вертикальних систем

t_вх =t_г - ; (18)

для горизонтальних систем

t_вх =t_г - , (19)

де ∑Q₁ – сумарна теплова потужність опалювальних приладів, розташованих за рухом води до опалювального приладу, що розраховується, Вт; G_ст і G_п.в. – відповідно витрати води в стояку та горизонтальній приладовій вітці, кг/год; визначаються за результатами гідравлічного розрахунку трубопроводів системи опалення.

Перепад температур води, °С, у кожному опалювальному приладі в однотрубних системах опалення визначають за формулами:

∆t_о.п. =; (20)

∆t_о.п. =, (21)

де G_о.п. – витрата води в опалювальному приладі, кг/год; α – коефіцієнт затікання води в опалювальний прилад, величину якого можна приймати:

- для опалювальних приладів з регулюючим триходовим краном типу КРТ α = 1;

- з регулюючим прохідним краном типу КРП і діаметром стояка 15 мм α = 0,45, 20 мм α = 0,56;

- з термостатичним клапаном α = 0,5.

Перепад температур води, °С, у кожному опалювальному приладі горизонтальної приладової вітки двотрубної системи опалення визначають за формулою:

∆t_о.п. =, (22)

де Q_п.в. – сума тепловтрат ∑Q₁ приміщень, які обслуговуються приладовою віткою, Вт.

Витрату води, кг/год, в опалювальних приладах двотрубних систем водяного опалення з горизонтальними приладовими вітками треба визначати за формулою:

G_о.п.= G_о.п., (23)

де Q₁ – тепловтрати приміщення, для якого розраховується опалювальний прилад, Вт; ∑Q₁ – сумарні тепловтрати приміщень, що обслуговуються горизонтальною приладовою віткою, Вт.

Фактичний тепловий потік прийнятого до установки опалювального приладу Q_н^ф, зведений до нормованих умов, не має бути меншим, ніж на 5% або на 60 Вт за потрібний тепловий потік Q_н^потр. Розходження М, %, між величинами Q_н^ф і Q_н^потр для кожного опалювального приладу визначають за формулою:

М=. (24)

Послідовність розрахунку опалювальних приладів в різних системах водяного опалення розглядається в наведеному нижче прикладі.

Приклад 3. Розрахунок опалювальних приладів сходової клітки житлового будинку

Початкові дані

Система водяного опалення дев'ятиповерхового житлового будинку в м.Києві приєднується до теплової мережі з розрахунковим перепадом температур води Т_г-t₀=І50-70°С за залежною схемою з тепловим пунктом. Розрахункова теплова потужність системи опалення (без сходової клітки), складає Q_с.о.= 53080 Вт. Розрахункова теплова потужність опалення сходової клітки Q_с.к.=4720 Вт. Опалювальні прилади сходової клітки – конвектори без кожуха типу "Акорд", приєднані до вводу теплової мережі за передвключеною схемою /перед підмішуючим насосом чи елеватором/. Установка конвекторів передбачається на внутрішній стіні на першому поверсі безпосередньо за тамбуром вхідних дверей, максимально можлива довжина опалювального приладу 1,4 м. Розрахункова температура внутрішнього повітря у сходовій клітці t_вн=16 ⁰С. Тепловтрати сходової клітки складають Q₁=4580 Вт.

Послідовність розрахунку

Попередньо вибираємо установку конвекторів у два ряди по вертикалі та один ряд у глибину за послідовною схемою руху води в опалювальному приладі.

Обчислюємо витрату води, що надходить із теплової мережі і проходить через опалювальний прилад сходової клітки

G_т.м.= G_о.п.=

За формулою (15) визначаємо розрахунковий тепловий потік опалювального приладу сходової клітки

Q_{о.п. =} 4580х1,0х1,0=4580 Вт,

де b₂=1 (установка опалювального приладу біля внутрішньої стіни); b₃=1 (установка опалювального приладу вільно біля стіни); тепловіддачею трубопроводів 0,9 Q_тр нехтуємо через їхню відносно незначну довжину.

За формулою (20) обчислюємо перепад температур води в опалювальному приладі сходової клітки

∆t_о.п.=

За формулою (17) обчислюємо температурний напір в опалювальних приладах

∆t_т=

Коефіцієнт

=

де n=0,2 – за табл. 9.

Коефіцієнт

=

де р = 0,03 – за табл. 9.

Коефіцієнт Ψ₂ на дворядну установку конвекторів "Акорд" по вертикалі згідно із поясненням до формули (13):

Ψ₂=0,92.

Згідно із поясненнями до формули (13) коефіцієнти С=1. Ψ₁=1 (схема руху води в опалювальному приладі "зверху - донизу"), Ψ₃=1 (однорядна установка опалювального приладу в глибину).

Потрібний тепловий потік опалювального приладу, зведений до нормованих умов, за формулою (14)

Q_н^потр=

Тут треба зауважити, що при використанні дворядних конвекторів К2А у формулі (14) необхідно приймати коефіцієнт Ψ₂=1 через те, що тепловий потік цих конвекторів визначений із урахуванням коефіцієнта Ψ₂=0,92.

Аналіз номенклатурного ряду та теплотехнічних характеристик конвекторів "Акорд" за даними [8, табл. 8.1] показує, що у даному прикладі можна взяти дворядну установку по висоті та дворядку установку в глибину конвекторів К2А-1,237 із змішаною схемою руху води в опалювальному приладі (рис.5).

Витрата води в кожному вертикальному ряду конвекторів при цьому становить:

G_о.п.=

Отже, необхідно уточнити значення поправочного коефіцієнта φ₂

=

Крім того, згідно з поясненнями до формули (13) треба ввести поправочний коефіцієнт на установку конвекторів у два ряди в глибину:

=0,94.

Потрібний тепловий потік опалювального приладу, зведений до нормованих умов, за формулою (14):

Q_н^потр=

.

Рис 5. Розміщення конвекторів на плані сходової клітки та схема

обв’язки конвекторів трубопроводами

Виконані розрахунки показують, що в даному прикладі доцільно за конструктивними та монтажними вимогами взяти установку двох дворядних конвекторів, розташованих у два ряди по глибині. Величина Q_н^потр при цьому складає:

Q_н^потр=

Остаточно беремо до установки два дворядні конвектори типу 2КА-1,237 (Q_н= 1237 Вт), сумарний тепловий потік яких становить:

∑Q_н=1237*2=2474 Вт,

що на 6,5 % перевищує потрібний тепловий потік.

4. Гідравлічний розрахунок трубопроводів

1. Розрахунковий циркуляційний тиск у системі водяного опалення

Перед виконанням гідравлічного розрахунку трубопроводів обчислюють розрахунковий циркуляційний тиск ∆Р_р, Па, тобто величину різниці тисків, яка може бути витрачена на подолання опору тертя та місцевих опорів у системі опалення

∆Р_р=∆Р_н+Б∆Р_пр, (25)

де ∆Р_н – тиск, що створює циркуляційний насос, Па; ∆Р_пр – природний тиск, що виникає внаслідок охолодження води в опалювальних приладах і трубопроводах системи опалення, Па; Б – коефіцієнт, що являє собою частку максимального природного тиску, яку необхідно враховувати в розрахункових умовах. Для насосних однотрубних горизонтальних систем водяного опалення приймають Б=0,4.

Розрахунковий природний тиск в однотрубних горизонтальних системах водяного опалення з поквартирними приладовими вітками визначають для кожної вітки за формулою:

∆Р_пр.і=gh_i(ρ_о – ρ_г), (26)

де g=9,81 м/с² – прискорення вільного падіння; h_i – вертикальна відстань між центром нагрівання і центром охолодження води в опалювальних приладах горизонтальної приладової вітки і-го поверху, м; ρ_о і ρ_г – відповідно густина охолодженої і гарячої води в системі опалення, кг/м³. При розрахунковому перепаді температур води t_г - t_о= 95-70⁰С, ρ_о =977,81 кг/м³ і ρ_г=961,92 кг/м³.

Центр нагрівання води в індивідуальному тепловому пункті беруть по осі подавального трубопроводу теплового вузла, що проходить на відстані 1300 мм від підлоги підвалу.

Насос, включений в замкнуте кільце системи водяного опалення, воду не піднімає, а лише переміщує, підтримуючи її циркуляцію, і тому називається циркуляційним (на відміну від підживлювальних та підвищувальних насосів).

Потужність циркуляційного насоса визначається кількістю води, яку він переміщує, та створюваним тиском. Витрата води в системі опалення G_с.о., кг/год, визначається за формулою

G_с.о..= . (27)

Значення необхідного циркуляційного тиску ∆Р_н насоса можна одержати із формули (25), якщо розрахунковий тиск ∆Р_р дорівнює сумарним втратам тиску ∑ ∆Р_і , визначеним у результаті гідравлічного розрахунку системи опалення з заданими діаметрами трубопроводів. В іншому випадку необхідно спочатку вибрати типорозмір насоса і тоді, добавивши до ∆Р_н величину ∆Р_пр, визначити розрахунковий циркуляційний тиск ∆Р_р для вибору діаметрів трубопроводів і виконання гідравлічного розрахунку.

Кожен насос має свою характеристику (робочу криву), одержану в результаті стендових випробувань. Характеристика показує залежність між витратою насоса G_н та тиском ∆Р_н і при відповідній частоті обертів електродвигуна. Для забезпечення розрахункових витрат води і циркуляційного тиску при дії насоса рекомендується при його виборі орієнтуватися на максимальне значення ККД.

Потужність електродвигуна N_ел насоса, Вт, визначається з врахуванням ККД насоса ζ_н та необхідного запасу потужності к (орієнтовно 1,5) на пусковий момент за формулою:

N_ел = . (28)

Для систем опалення, приєднаних до теплових мереж центрального теплопостачання, необхідно знижувати температуру води Т₁ , що надходить з теплової мережі до допустимої t_г в системі. Це відбувається в тепловому пункті підмішуванням у високотемпературну воду води із зворотньої магістралі, охолодженої в системі опалення до температури t_о.

Кількість високотемпературної води G₁ при відомій тепловій потужності опалення Q_с.о. буде тим меншою, чим вища температура Т₁:

G₁= (29)

де Т₂ – температура води в зворотній магістралі_, ^оС, беруть Т₂ = 70 ^оС.

Співвідношення витрат води, охолодженої в системі опалення G_с.о. та високотемпературної G₁ називають коефіцієнтом змішування U

U = G_с.о. / G₁ , (30)

який можна виразити через температуру води:

U = (31)

Якщо опалювальні прилади сходових кліток приєднані перед підмішувальним насосом, то в формулі (31) замість Т₁ треба взяти її фактичну температуру перед підмішувальним насосом Т₁^ф, яку обчислюють за формулою:

Т₁^ф = Т₁ - (32)

де Q_с.к – розрахункові тепловтрати сходових кліток, Вт.

Якщо опалювальні прилади сходових кліток приєднують перед підмішувальним насосом величину Т_г^ф обчислюють за формулою:

Т_г^ф= Т_г - (33)

де Q_с.к. – розрахункова теплова потужність системи опалення сходових кліток, Вт; G_т.м. – розрахункова втрата води, кг/год, що надходить із теплової мережі в систему опалення:

G_т.м.= (34)

де Q_с.о. – розрахункова теплова потужність системи опалення будинку, обчислена за формулою (10) без урахування втрат теплоти в сходових клітках, Вт.

Центр охолодження в опалювальному приладі знаходиться на середині цього приладу, а при русі води в ньому „знизу-вниз” – на рівні приєднання трубопроводів до опалювального приладу.

Оскільки величина природного тиску ∆Р_пр.і залежить від величини h_i, то і розрахунковий циркуляційний тиск ∆Р_рі необхідно обчислювати для циркуляційних кілець, що проходять через горизонтальні приладові вітки всіх поверхів.

4.2. Послідовність гідравлічного розрахунку трубопроводів

Гідравлічний розрахунок трубопроводів є найбільш складним, трудомістким і важливим етапом при проектуванні системи опалення. Перед його проведенням мають бути:

• визначені теплова потужність системи опалення та теплове навантаження опалювальних приладів і стояків для всіх приміщень;

• вибрані принципові схемі системи опалення і параметри теплоносія;

• вибраний тип і спосіб установки опалювальних приладів;

• конструктивно вирішена система опалення; на планах будинку розміщені опалювальні прилади, стояки, подавальні та зворотні магістральні трубопроводи, визначене місце розташування вузла вводу тепломережі в індивідуальному тепловому пункті (ІТП) будинку;

• накреслена аксометрична схема системи опалення;

• визначений розрахунковий циркуляційний тиск у системі опалення.

Гідравлічний розрахунок трубопроводів виконують після розробки розрахункової схеми системи опалення.

На розрахунковій схемі вказують номер, теплове навантаження і довжину розрахункових ділянок циркуляційних кілець.

Циркуляційним кільцем у системі опалення називають замкнений контур, що включає послідовно розташовані ділянки трубопроводів за ходом руху теплоносія: тепловий центр (ІТП) – опалювальний прилад (приладова вітка або стояк) – тепловий центр. Отже, довжиною циркуляційною кільця є сума довжин послідовно розташованих ділянок трубопроводів, по яких вода, виходячи із теплового центра і проходячи будь-який опалювальний прилад (приладову вітку або стояк), повертається у тепловий центр.

Гідравлічний розрахунок трубопроводів, як правило, починають з основного (головного) циркуляційного кільця, після чого розраховують інші (другорядні) кільця. Головним вважається кільце, що знаходиться у найнесприятливіших умовах: в однотрубних насосних поквартирних системах водяного опалення основне циркуляційне кільце проходить через найбільш навантажену і найвіддаленішу від ІТП приладову вітку на верхньому (останньому) поверсі будинку.

Кожне циркуляційне кільце, починаючи з основного, розбивають на розрахункові ділянки. Розрахунковою є ділянка трубопроводу постійного діаметра з незмінною витратою води

3. Гідравлічний розрахунок трубопроводів систем водяного

опалення методом характеристик опору

Втрату тиску в розрахунковій ділянці трубопроводу за методом характеристик опору обчислюють за формулою:

∆Р=SG², (35)

де S – характеристика опору розрахункової ділянки трубопроводу, Па/(кг/год)²; G – витрата води в розрахунковій ділянці трубопроводу, кг/год.

Характеристики опорів уніфікованих вузлів систем водяного опалення наведені в довідниковій літературі. В інших випадках характеристику опору будь-якої розрахункової ділянки трубопроводів обчислюють за формулою:

S=Aξ_прив, (36)

де А – питомий динамічний тиск, Па/(кг/год)² у розрахунковій ділянці трубопроводу, що виникає при втраті води в ній G=1 кг/год; ξ_зв – зведений коефіцієнт опору розрахункової ділянки трубопроводу, який визначають за формулою:

ξ_прив=(37)

де – зведений коефіцієнт тертя труби, м^-1; l – довжина розрахункової ділянки трубопроводу, м; ∑ξ – сума коефіцієнтів місцевих опорів на розрахунковій ділянці трубопроводу.

Величини гідравлічних характеристик А, ідля сталевих труб, що застосовують у сучасних системах опалення, із середньою температурою водиt=60⁰С, яка відповідає середній температурі за опалювальний сезон, наведені в [7,8].

Використання величини дозволяє за заданими витратою водиG і діаметром труби обчислити швидкість теплоносія V, м/с, діленням витрати води G на величину , тобто:

V=. (38)

Значення характеристики опору S може бути визначено як для окремої ділянки трубопроводу, так і для частини мережі, що складається з послідовних і паралельних ділянок трубопроводів. Так, характеристика опору послідовно розташованих ділянок трубопроводів із постійною витратою води дорівнює сумі характеристик опору цих ділянок, тобто:

S_1+i=S₁+S₂+…+S_i, (39)

де S₁+S₂+…+S_i – характеристики опору послідовно розташованих трубопроводів, визначені за формулою (36) або взяті за [7,8].

На рис. 6 і 7 зображені фрагменти розрахункової схеми трубопроводів однотрубної по квартирної системи опалення.

Рис 6. Розрахункова схема подавальних і зворотніх трубопроводів системи опалення