Гидравлический расчет системы водяного отопления

Гидравлический расчет
системы водяного
отопления
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАСЧЕТА
Гидравлический расчет проводится по законам гидравлики. Расчет основан на
следующем принципе: при установившемся движении воды действующая в
системе разность давлений (насосного и естественного) полностью расходуется на
преодоление сопротивления движению.
Правильный гидравлический расчет предопределяет работоспособность системы
отопления.
На основе гидравлического расчета осуществляется выбор диаметра труб d, мм,
обеспечивающий при располагаемом перепаде давления в системе отопления ΔPo,
Па, пропуск заданных расходов теплоносителя G, кг/ч. Перед гидравлическим
расчетом должна быть выполнена пространственная схема системы отопления в
аксонометрической проекции.
Задачей гидравлического расчета является выбор экономически целесообразного
диаметра труб системы отопления, обеспечивающих при заданном ΔPp пропуск
расчетных расходов воды по всем участкам и всем отопительным приборам.
Потери давления в общем виде в системе отопления складываются из потерь
давления на трение и потерь давления на местные сопротивления.
Величина потерь давления на трение на участке трубопровода определяется по
уравнению Дарси-Вейсбаха:
Pmp = (λ /db )·((ν2ρ)/2) ,
(1)
где (ν2ρ)/2 – динамическое давление;
λ – коэффициент гидравлического сопротивления, характеризующий
потери давления на трение и зависит от характера движения
жидкости;
db – внутренний диаметр, мм;
v – скорость движения воды в трубопроводе, м/с;
ρ – плотность воды, кг/м3.
Потери давления на местные сопротивления зависит от вида местного
сопротивления и структуры потока, и определяется по уравнению:
Pmp = ξ·(ν2ρ)/2 ,
где ξ – коэффициент местного сопротивления, (запорно-регулирующая
арматура, тройники, отводы, сужения, расширения и т.д.).
(2)
Kоэффициент местного сопротивления показывает потерю давления, выраженную
в долях динамического давления потока.
Рассмотрим линейные потери давления в системе отопления ΔPco , Па, уравнение:
(3)
где
l – длина трубы, м;
или ΔPco = R ·l + z ,
где
R – удельные потери давления на 1 м трубы, Па/м;
z – потери давления в местных сопротивлениях, Па.
Определение располагаемого перепада давления в системе отопления.
Располагаемый перепад давления для создания циркуляции воды ΔPp, Па,
определяется по формуле:
а) в носовой вертикальной однотрубной бифилярной системе с качественным
регулированием теплоносителя:
- с верхней разводкой:
ΔPp = ΔPн+ ΔPe.np+ ΔPe.mp ,
- с нижней разводкой магистралей:
ΔPp = ΔPн+ ΔPe.np ,
б) в носовой горизонтальной однотрубной и бифилярной вертикальной двухтрубной
системах:
- с верхней разводкой:
ΔPp = ΔPн+ 0,4(ΔPe.np+ ΔPe.mp ) ,
- с нижней разводкой магистралей:
ΔPp = ΔPн+ 0,4 ΔPe.np ,
где ΔPe.np , ΔPe.mp – естественное циркуляционное давление, возникающее
вследствие охлаждения воды соответственно в отопительных
приборов и трубах циркуляционного кольца, Па;
ΔPн– давление, создаваемое циркуляционным насосом, Па.
Сейчас применяют множество методик гидравлического расчета, они трудоемки и
чаще всего рассчитывают с помощью ЭВМ:
- метод удельных потерь давления на трение;
- метод сложения характеристик сопротивления;
- метод динамического давления;
- метод приведенных длин;
- метод перемещения единицы объема воды;
- метод эквивалентных сопротивлений.
Чаще всего применяют первые две методики расчета.
Первая: для расчета однотрубных и двухтрубных систем отопления.
Вторая: только для однотрубных систем отопления.
ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ СИСТЕМЫ ОТОПЛЕНИЯ ПО УДЕЛЬНЫМ
ПОТЕРЯМ ДАВЛЕНИЯ НА ТРЕНИЕ
При расчете по этому способу линейные потери давления от трения R, Па/м, и
местные потери давления, Z, Па, в системе отопления ΔPco , Па, находят по
формуле:
ΔPco = k∑(R l + z) ,
где
l – длина трубы, м;
k – переводной коэффициент (для СИ - k=1,0; для МКГСС - k=1,102);
z – потери давления в местных сопротивлениях, Па.
Рассмотрим последовательность выполнения гидравлического расчета.
(4)
Рисунок 1. а) Двухтрубная тупиковая система отопления
Рисунок 1. б) Двухтрубная система отопления с попутным движением теплоносителя
1) На аксонометрической схеме выбирается главное циркуляционное кольцо. В
двухтрубных системах водяного отопления (рис.1) оно проходит при тупиковой
разводке магистралей через нижний отопительный прибор наиболее нагруженного
и удаленного от теплового центра стояка, а при попутном движении воды в
магистралях – через нижний прибор наиболее нагруженного среднего стояка;
Главное циркуляционное кольцо начинается от узла управления по ходу движения
теплоносителя.
В однотрубных схемах отопления при тупиковом движении теплоносителя – это
кольцо через наиболее нагруженный и удаленный от теплового пункта стояк, а при
попутной схеме – через наиболее нагруженный средний стояк.
В двухтрубных системах – кольцо через нижний отопительный прибор аналогично
выбранных стояков.
Рисунок 2. Однотрубная система отопления: а –тупиковая;
б – с попутным движение теплоносителя.
2) Главное циркуляционное кольцо разбиваем на расчетные участки (Участок –
отрезок магистрали с постоянным G теплоносителя), где указывается G, кг/ч, длина
l, м и d труб, мм;
Причем стояки проточные и проточно-регулируемые рассматриваются как один
участок. Для стояков регулируемых с замыкающими участками и нетиповых
стояков, стояки делятся на отдельные участки, в зависимости от распределения
теплоносителя в трубах.
3) Для предварительного выбора диаметра трубопроводов определяют среднее
значение удельного падения давления по главному циркуляционному кольцу, Па:
(5)
где в – поправочный коэффициент, учитывающий долю местных потерь
давления в системе [Спр. пр. Староверова, ч.I, т. II.21].
4) Определяем расход теплоносителя на расчетных участках, кг/ч:
(6)
где Qуч –
тепловая нагрузка на расчетном участке, Вт.
5) Ориентируясь на величину Rcp, G и по предельно-допустимым скоростям
движения теплоносителя [СНиП 2.04.05-91 прил.14], по Спр. пр. Староверова ч.I
т.II.1 находится предварительный диаметр труб, фактические удельные потери R, и
фактическая скорость теплоносителя v.
6) Определяют коэффициент местных сопротивлений [Спр. пр. Староверова, ч.I, т.
II.10 ¸ II.20] ∑ξ, затем по известным значениям v и ∑ξ определяют Z, Па.
Местные сопротивления на границах 2х участков, относят к участку с меньшим
G теплоносителя.
7) Общие потери давления на участке определяются (Rl + z) и записываются
нарастающим итогом в главном циркуляционном кольце ∑(Rl + z).
8) После предварительного выбора диаметра труб главного циркуляционного
кольца выполняется гидравлическая увязка ∑(Rl + z) с располагаемым давлением
ΔPp, при этом выполняется условиe :
(7)
где ∑(Rl + z) – суммарные потери давления в главном циркуляционном кольце, Па.
Запас должен быть 5-10% на неучтенные потери.
9) Если указанное условие выполняется, тогда приступают к увязке давлений во
второстепенных циркуляционных кольцах через промежуточные стояки с
давлением в главном циркуляционном кольце без учета общих участков.
Для этого сначала определяют располагаемое давление через второстепенный
стояк, который должен равняться ∑(Rl + z) главного циркуляционного кольца с
поправкой на разность естественного циркуляционного давления во
второстепенном ΔPе.вт и основном ΔPе.осн стояках:
- однотрубные:
ΔPр.ст = ∑(R l + z)осн+ (ΔPе.вт– ΔPе.осн ) ,
- двухтрубные:
ΔPр.ст = ∑(R l + z)осн ,
10) После подбора диаметра труб стояка должно выполняться условие - потери
давления в располагаемом стояке должно быть меньше располагаемого давления
ΔPр.ст не больше чем на ± 15 % при тупиковой схеме и ± 5 % при попутной схеме
движения теплоносителя:
(8)
где ∑(Rl + z)ст – суммарные потери давления на участках рассматриваемого
стояка, Па.
При невозможности увязки потерь давления предусматривается установка
диафрагмы (дроссельной шайбы) диаметром, мм:
(9)
где
Gст – расход теплоносителя в стояке, кг/ч;
Pш– требуемая потеря давления в шайбе, Па.
Рисунок 3. Обозначение и расположение диафрагмы (дроссельной шайбы).
Дроссельные шайбы меньше 5 мм не устанавливаются. Они устанавливаются у
крана на подземной части стояка в месте присоединения к подающей магистрали.
ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ СИСТЕМЫ ОТОПЛЕНИЯ МЕТОДОМ
СЛОЖЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК СОПРОТИВЛЕНИЙ
Метод сложения характеристик сопротивления применяют при проектировании
насосных вертикальных и горизонтальных однотрубных систем, а также
вертикальных двухтрубных систем с кранами повышенного сопротивления.
Гидравлический расчет может производиться для постоянного или переменного
перепада температуры в стояках с учетом заданной проводимости труб.
Рисунок 4. Однотрубная система отопления: тупиковая.
Рисунок 5. Однотрубная система отопления: с попутным движением теплоносителя.
При гидравлическом расчете по указанной методике потери давления на каждом
расчетном участке от трения ΔPуч , Па, в местных сопротивлениях определяют по
формуле:
(10)
где Gуч– расход воды на участке, кг/ч;
Sуч–
характеристика сопротивления участка, Па/(кг/ч)2, вычисляем по
формуле:
(11)
где Aуч– удельное динамическое давление в трубе на участке при внутреннем
диаметре db и расходе 1 кг/ч, выбираемое по [5, табл. 10.7];
приведенный коэффициент гидравлического трения, м–1, принимаемый
λ/db–
по [5, табл. 10.7] ;
lуч– длина участка, м;
∑ξуч– сумма коэффициентов местных сопротивлений на участке.
Рекомендуемые значения для стандартных диаметров труб
Диаметр
условного
прохода, мм
10
15
20
25
32
40
50
50
65
80
100
125
150
Расход воды G,
Ag·104,
при скорости
Па/(кг/ч)2
V = 1 м/с
ГОСТ 3262 – 75*
425
26,50
690
10,60
1250
3,19
2000
1,23
3500
0,39
4650
0,23
7800
0,082
ГОСТ 10704 – 76*
6600
0,113
13400
0,0269
18400
0,0142
27600
0,00642
43000
0,00265
61000
0,00135
λ/db,
м–1
Sуд·104,
Па/м(кг/ч)2
3,60
2,70
1,80
1,40
1,00
0,80
0,55
95,40
28,62
5,74
1,72
0,39
0,18
0,045
0,60
0,40
0,30
0,23
0,18
0,15
0,068
0,0108
0,0043
0,00148
0,00048
0,00020
Рассмотрим последовательность выполнения гидравлического расчета при равном
перепаде температуры теплоносителя в стояках.
1) Перед выполнением гидравлического расчета конструируется однотрубная
система водяного отопления из унифицированных узлов и на построенной схеме
выбирается главное циркуляционное кольцо которое делится на расчетные участки
с указанием расхода теплоносителя на участке Gуч, кг/ч, длины участка lуч, м,
диаметра dуч, мм;
2) Выбирается располагаемый перепад давления ΔPp, Па, в однотрубной системе
отопления:
ΔPp = ΔPн+ ΔPe.np .
3) При предварительном выборе диаметра трубы для каждого участка вычисляется
удельная характеристика сопротивления Sуд, Па/(кг/ч)2м:
(12)
где Gуч– ориентировочный расход воды на участке, кг/ч, определяемый по
формуле:
(13)
где Rcp– среднее значение удельной потери давления от трения в расчетном
кольце, определяемое по формуле:
(14)
4) Выполнение гидравлического расчета начинается с самого удаленного и
нагруженного стояка в тупиковой системе и с самого нагруженного стояка в системе
водяного отопления с попутным движением теплоносителя.
Диаметры труб стояка назначают, сопоставляя полученное по формуле (12) Sуд со
значением Sуд для стандартных диаметров труб. Для обеспечения тепловой
устойчивости системы отопления принимается для стояков меньший ближайший
диаметр, с последующей проверкой скорости движения воды в трубопроводах
стояка. Возможна конструкция стояков из труб двух различных смежных диаметров.
Принятый диаметр труб двух различных смежных диаметров.
5) По выбранному диаметру стояка назначаются диаметры подводки и
замыкающего участка узла отопительного прибора.
Рекомендуемые диаметры трубопроводов узла нагревательного прибора
Наименование узла
стояка
Эскиз узла
1
2
Диаметр труб dу, мм
замыкающего
стояка
подводки
участка
3
4
5
Этажестояк с осевым
обходным участком и
трехходовым краном
15
20
25
15
20
20
15
20
20
Этажестояк со
смещенным обходным
участком
15
20
25
25
15
20
20
25
15
20
25/20
25
Этажестояк с осевым
замыкающим участком и
краном типа КРП
15
20
25
15
15
20
15
20
20
Этажестояк со
смещенным замыкающим
участком и краном типа
КРП
Этажестояк проточный
Узел верхнего этажа при
нижней разводке и
трехходовом кране
То же
Узел верхнего этажа при
нижней разводке и кране
типа КРП
То же
15
20
25
15
15
20
15
20
25
15
20
25
15
20
25
25
15
20
25
25
15
20
25
15
20
25
15
20
20
25
15
20
20
25
15
15
20
15
20
25
15
20
25
15
20
25/20
25
15
20
25/20
25
15
20
25
15
20
20
6) После выбора диаметра труб и типа отопительного прибора определяется
характеристика сопротивления стояка по формуле:
Scm = ∑Sm.y+∑Sn.y ,
(15)
где ∑Sn.y– характеристика сопротивления приборных узлов стояка однотрубной
системы отопления определяемая по формуле:
∑Sn.y= ∑Sn+ ∑Snp· l ,
(16)
где ∑Sm.y– характеристика сопротивления трубных узлов стояка однотрубной
системы отопления, Па/(кг/ч)2;
характеристика сопротивления отопительного прибора длиной 1 м,
∑Snp–
Па/(кг/ч)2;
характеристика сопротивления подводок к отопительному прибору,
∑Sn–
Па/(кг/ч)2;
l – длина прибора, м.
7) По характеристике сопротивления стояка Scm и расходу теплоносителя в стояке
Gcm, вычисляют потери давления в стояке, Па, по формуле:
ΔPcm = Scm· G2cm ,
(17)
8) Затем производится гидравлический расчет магистральных участков главного
циркуляционного кольца. Предварительный выбор диаметра производится путем
сопоставления значения Sуд, полученного по формуле (12) со значением Sуд для
стандартных диаметров труб. С целью повышения тепловой устойчивости системы
отопления для магистралей принимается ближайший больший диаметр труб.
9) Затем проверяется скорость движения воды при выборе диаметра труб.
Например, расход воды в трубе d у = 15 мм составляет 560 кг/ч, тогда скорость
движения воды V = 560 : 690 = 0,79м/с.
Рекомендуемые диаметры трубопроводов узла нагревательного прибора
Допустимый
уровень звука
ZA, дБ(А)
25
30
35
40
45 и более
Скорость движения теплоносителя, м/с, при большем из
коэффициентов местного сопротивления арматуры на трубах,
примыкающих к помещению
При коэффициентах местного сопротивления
До 5
10
15
20
30
1,5/1,1/0,7
0,9/0,55
0,75/0,5
0,6/0,4
1,5/1,5/1,2
1,2/1,0
1,05
0,85/0,65
1,5/1,5/1,5
1,5/1,1
0,8
1,0/0,8
1,5/1,5/1,5
1,5/1,5
1,2/0,95
1,3/1,2
1,5/1,5/1,5
1,5/1,5
1,5/1,5
1,5/1,4
Примечание. В числителе даны значения скоростей воды при всех видах арматуры,
кроме прямых вентилей; в знаменателе - при прямых вентилях.
10) В соответствии с предварительно выбранным диаметром труб на
магистральных участках принимаются значения Ag и λ/dу на 1 м трубы.
11) Определяются на расчетных участках магистральных труб сопротивление от
трения lуч(λ/dу) и значения коэффициентов местных сопротивлений ∑Sуч.
12) Далее определяются значения Sуч по формуле (2), и Gуч по формуле (13). После
вычисления этих значений по формуле (10) рассчитываются потери давления на
участках магистральных труб главного циркуляционного кольца.
13) Суммарные потери давления на участках магистральных труб главного
(второстепенного) циркуляционного кольца определяются по формуле, Па:
ΔPм = Sуч(1)· G2уч(1)+ Sуч(2)· G2уч(2) + ... + Sуч(n)·G2уч(n) ,
где
Sуч(n)–
значения характеристик сопротивления участков магистральных труб
главного (второстепенного) циркуляционного кольца, Па/(кг/ч)2;
Gуч(n)– расход воды на участках магистральных труб главного (второстепенного)
циркуляционного кольца, кг/ч.
14) Определяются общие потери давления. Па, по значениям Scm и Sуч, Gcm и Gуч на
каждом расчетном участке, дальнем тупиковом стояке и главном циркуляционном
кольце:
ΔPc.o = ΔPcm· ΔPì ,
15) После предварительного выбора диаметров труб стояка и на участках
магистралей главного циркуляционного кольца выполняется гидравлическая увязка
при этом должно выполняться условие:
0,9ΔPр ≥ ΔPc.o ,
Величина невязки А, %, в расходуемых давлениях определяется по уравнению:
16) При обеспечении запаса располагаемого перепада давления 5-10 %
приступаем к увязке расходуемых давлений в циркуляционных кольцах через
промежуточные стояки главного
17) Рассчитываем располагаемое циркуляционное давление для предпоследнего
стояка, которое складывается из потерь давления в последнем стояке и на двух
параллельных участках магистралей до рассчитываемого стояка. При этом
различием в значениях естественного циркуляционного давления в однотипных
стояках можно пренебречь.
Исходя из располагаемого давления по характеристикам сопротивления выполняют
гидравлический расчет предпоследнего стояка (см. выше п.п. 4, 5, 6, 7).
Расчетная невязка между располагаемым давлением и потерями давления в
предпоследнем стояке не должны отличаться более чем на ± 15 % при тупиковой
схеме и ±5 % при попутной схеме движения теплоносителя.
18) Сумма потерь давления в одном из двух рассчитанных стояков и на двух
(четырех) параллельных участках магистралей принимается за располагаемое
циркуляционное давление для третьего от конца системы стояка. Порядок
гидравлического расчета третьего стояка выполняется аналогично (см. выше п.п. 4,
5, 6, 7, 16). Таким образом, производится гидравлический расчет остальных
стояков.
При невязках потерь давления в увязываемых кольцах предусматривается
установка на стояках дроссельных шайб.