Гидравлический расчет системы водяного отопления

Цель гидравлического расчета – подобрать диаметры трубопроводов, регулировочные и балансировочные клапаны при условии использования располагаемого перепада давления на вводе для обеспечения стабильности и бесшумности работы системы отопления, минимизации эксплуатационных и капитальных затрат. Гидравлический расчет основан на законах гидравлики: при движении воды по трубам существуют потери давления на преодоление трения по длине трубопроводов и в местных сопротивлениях. Сумма этих потерь в трубопроводах циркуляционного кольца системы отопления должна быть меньше расчетного циркуляционного давления для этой системы.

Гидравлический расчет выполняют по аксонометрической схеме трубопроводов системы отопления. На схеме находят циркуляционные кольца, делят их на участки, наносят тепловые наrрузки каждого отопительного прибора, равные тепловой расчетной нагрузке помещения Q_о. (При наличии двух и более отопительных приборов в помещении необходимо разделить величину расчетной нагрузки Q_о между ними.)

Каждое циркуляционное кольцо системы отопления - это замкнутый контур последовательных участков. Участок – одна или несколько труб с одним и тем же расходом теплоносителя. В однотрубной системе отопления количество циркуляционных колец равно числу стояков, а в двухтрубной – количеству отопительных приборов.

В качестве главного (основного) расчетного циркуляционного кольца принимается:

• в системах с тупиковым движением теплоносителя в магистралях: для однотрубных систем – кольцо через наиболее нагруженный из самых удаленных стояков, для двухтрубных систем – кольцо через нижний отопительный прибор наиболее нагруженного из самых удаленных стояков. Затем выполняется расчет остальных циркуляционных колец;

• в системах с попутным движением теплоносителя в магистралях: для однотрубных систем – кольцо через наиболее нагруженный стояк, для двухтрубных систем – кольцо через нижний отопительный прибор наиболее нагруженного стояка. Затем выполняется расчет циркуляционных колец через крайние стояки (ближний и дальний);

При гидравлическом расчете СВО следует выбрать одно из двух направлений расчета [5].

Первое направление гидравлического расчета состоит в том, что диаметры труб и потери давления в кольце определяются по задаваемой оптимальной скорости движения теплоносителя на каждом участке основного циркуляционного кольца. Скорость теплоносителя в горизонтально расположенных трубах следует принимать не ниже 0,25 м/с для обеспечения удаление воздуха из них. Оптимальная расчетная скорость движения воды для стальных труб - до 0,3...0,5 м/с, удельная потеря давления на трение R не более 100…200 Па/м.

На основании результатов расчета основного кольца производится расчет остальных циркуляционных колец путем определения располагаемого давления в них и подбора диаметров по ориентировочной величине удельных потерь давления R_ср (методом удельных потерь давления).

Второе направление гидравлического расчета состоит в том, что подбор диаметров труб на расчетных участках и определение потерь давления в циркуляционном кольце производится по изначально заданной величине располагаемого циркуляционного давления для системы отопления. В этом случае диаметры участков подбираются по ориентировочной величине удельных потерь давления R_ср (методом удельных потерь давления).

ПРИМЕР 2. Произвести гидравлический расчет трубопроводов двухтрубной тупиковой системы водяного отопления с нижней разводкой и искусственной циркуляцией, присоединенной к тепловым сетям по зависимой схеме со смесительным насосом на перемычке. Давление, передаваемое в СВО из тепловой сети (за вычетом потерь давления в тепловом пункте) Р=7300 Па; прокладка стояков открытая, трубы стальные водогазопроводные, тепловая нагрузка каждого прибора Q_пр указана на схеме (рис. 11), расчетный перепад температуры воды в системе t_Г-t_О=95-70=25⁰С, расстояние от центра прибора 1 этажа до центра нагрева в тепловом пункте h=1,85 м, высота этажа – 2,8 м. Для регулирования теплопередачи отопительных приборов используются прямые ручные радиаторные вентили марки Mikrotherm фирмы Heimeier с возможностью предварительной настройки для гидравлической балансировки. Для гидравлической балансировки СВО у основания стояков применены ручные балансировочные клапаны марки TBV фирмы ТА.

Решение. Выполнение гидравлического расчета начинаем с определения расчетного циркуляционного давления P_p, Па. Выбираем главное расчетное циркуляционное кольцо через нагревательный прибор первого этажа стояка 4 как наиболее удаленного от теплового пункта и наиболее нагруженного (∑Q_пр=4946Вт).

Разбиваем главное расчетное кольцо на участки, нумеруем участки и указываем на каждом тепловую нагрузку Q_уч и длину. Длина кольца составляет =37,3 м.

При установке отопительных приборов у стены расчетную нагрузку участка теплопровода, подводящего теплоноситель к отопительному прибору, принимают [5] при скрытой прокладке теплопроводов Q_уч=1,06·Q_пр, при открытой прокладке теплопроводов Q_уч=1,05·Q_пр.

В насосной вертикальной системе отопления расчетное давление для создания циркуляции воды определяется по формулам:

а)в однотрубной

P_Р = P_Н + P_ℓ , Па (14)

б) в двухтрубной

P_Р = P_Н + 0,4·P_ℓ , Па (15)

где P_Н - циркуляционное давление, создаваемое насосом (давление, передаваемое в СВО из тепловой сети), Па

P_ℓ - естественное циркуляционное давление, Па

P_ℓ = P_ℓпр+ P_ℓтр, Па (16)

где P_ℓТР- естественное циркуляционное давление, возникающее вследствие охлаждения воды в трубах, Па [6, прил.4]

P_ℓПР- естественное циркуляционное давление, возникающее в циркуляционном кольце вследствие охлаждения воды в отопительных приборах, Па; определяемое по формулам:

- для вертикальной однотрубной при n приборах в стояке, входящем в циркуляционное кольцо:

P_ℓПР= , Па (17)

где g = 9,81м/с²;

- среднее приращение плотности при понижении температуры воды на 1^оС, для t_Г - t_О =(95-70)^оC = 0,64; для t_Г - t_О =(85-65)^оC =0,6;

Q_СТ - тепловая нагрузка стояка, Вт;

Q_СТ = , Вт (18)

- тепловая нагрузка i-го прибора;

t_Г - t_О - расчетная разность температур в системе;

h_i- вертикальное расстояние между условными центрами: охлаждения в стояке для i-го прибора и нагрева в системе (середина высоты котла, теплообменника, точка смешения в тепловом пункте и т.п.), м

Для проточных и проточно-регулируемых систем водяного отопления за центр охлаждения в стояке принимают середину i-го отопительного прибора, а для систем водяного отопления с осевыми и со смещенными замыкающими участками центр охлаждения соответствует точке, где в стояке изменяется температура воды – это точка присоединения замыкающего участка к обратной подводке отопительного прибора.

- для двухтрубной системы водяного отопления в расчетном кольце через отопительный прибор 1 этажа:

P_ℓПР=β·g·h₁·(t_Г-t_О), Па (19)

где h₁– вертикальное расстояние между условными центрами охлаждения воды в отопительном приборе 1 этажа и центром ее нагрева в системе, м

β – то же, что и в формуле (17).

При определении P_ℓПРв циркуляционном кольце через отопительные приборы второго и третьего этажей:

P_ℓ^ІІ_ПР= β·g·(h₁+h₂)·(t_Г-t_О), Па (20)

P_ℓ^ІІІ_ПР= β·g·(h₁+h₂+h₃)·(t_Г-t_О), Па (21)

где h₂, h₃ – вертикальные расстояния между центрами охлаждения воды в приборах на втором и первом, третьем и втором этажах, соответственно, м.

Так как в нашем случае система отопления с нижней разводкой, то давлением от остывания воды в трубах P_ℓТР пренебрегаем.

Естественное давление в стояке 4, возникающее за счет охлаждения воды в отопительных приборах:

P_ℓПР= β·g·h₁·(t_Г-t_О) =0,64·9,8·1,85·(95-70)=290Па

где 1,85м – расстояние от центра прибора 1 этажа до центра нагрева в тепловом пункте.

Определяем расчетное циркуляционное давление: P_p=7300+0,4·290=7416Па. Гидравлический расчет производим с использованием второго направления расчета - по методу удельных потерь давления.

Ориентировочная величина удельных потерь давления на трение:

Па/м (22)

где 0,65 – предполагаемая доля потерь давления на трение по длине трубопроводов в системе отопления от общей величины P_p.

- суммарная длина всех участков циркуляционного кольца, м

Определяем расходы воды на участках по формуле:

(23)

По расходам воды на участках и по величине подбираем диаметры труб по таблицам для гидравлического расчета (например, [6, прил. 6] или c помощью компьютерной программы подбора Tihomirov), определяя для этих диаметров фактическую величину , скорость движения воды W, м/с, и динамическое давление Р_Д. Определяем потери давления на трение на участках . Определяем сумму коэффициентов местных сопротивлений на каждом из участков кольца (табл.2) с использованием данных приложения В [5]. Местное сопротивление (тройник, крестовина) на границе двух участков относят к расчетному участку с меньшим расходом воды, местное сопротивление отопительного прибора на границе двух участков учитывают поровну на каждом участке. Определяем потери давления в местных сопротивлениях Z=Sz·Р_Д. Потери давления на балансировочных клапанах и регулировочных вентилях определяются по номограммам изготовителя или при известном значении пропускной способности элемента k_V (k_VS) по формуле:

, Па (24)

где G – расход воды на участке, кг/ч;

k_V (k_VS) – пропускная способность (по каталогу изготовителя), м³/ч.

Определяем общие потери давления +Z на каждом участке и суммарные потери давления во всех участках главного циркуляционного кольца. Расчет сведен в таблицу 3.