Гидравлический расчет трубопроводов систем водяного отопления

Гидравлический расчет систем водяного отопления предназначен для обоснования выбора таких диаметров всех участков труб, при которых в каждом циркуляционном кольце давления для перемещения расчетных количеств теплоносителя в единицу времени будут превышать на 10 % потери давления от гидравлического сопротивления.

Потери давления в контуре циркуляции подразделяют на потери, возникающие от сопротивления трения, и потери от местных сопротивлений.

Потери давления Δр_Т, Па, на преодоление водой сопротивления трения определяют по формуле:

(1)

Где: R_t - удельная потеря давления по длине трубопровода при средней расчетной температуре теплоносителя; l - длина участка трубопровода; 𝜆- коэффициент сопротивления по длине, зависящий от шероховатости стенок трубы и режима движения теплоносителя; v - скорость теплоносителя; d_p - расчетный диаметр трубы.

Для гидравлического расчета трубопроводов систем водяного отопления в практике проектирования используют специальные номограммы (рис. 1), учитывающие шероховатость трубопроводов и расчетные параметры воды.

Рисунок 1. Номограмма для расчета диаметров трубопроводов систем отопления при температуре воды 95... 70 °С

Потери давления Z, Па, на преодоление местных сопротивлений могут быть определены по формуле:

(8)

где : Σξ- сумма коэффициентов местных сопротивлений на рассчитываемом участке трубопровода; v - скорость теплоносителя в трубопроводе, м/с; ρ - плотность теплоносителя, кг/м³.

Ориентировочные значения коэффициентов местных сопротивлений элементов системы отопления приведены в табл. 2.

Таблица 2. Значения коэффициентов ? местных сопротивлений элементов систем отопления

Элементы	Схематическое изображение элемента	ξ
Отвод с радиусом закругления 5 dH		0,3...0,5
Тройник:
на проход		0,5
на ответвление		1,5
на слияние		1,5
на разделение потока		3,0
Крестовина:
на проход		2,0
на ответвление		3,0
Отступ		0,5
Обход		1,0

Гидравлические характеристики отопительных приборов, вентилей, клапанов, включая термостатические, приводятся в справочных изданиях и нормативной документации.

Общее сопротивление любого участка трубопровода движению теплоносителя: Δр_уч = R_tl + Z.

Описанный метод определения потерь давления в трубопроводах называют методом удельных потерь давления.

Результаты гидравлического расчета трубопроводов целесообразно сводить в таблицу (табл. 3).

Таблица 3. Сводная таблица результатов гидравлического расчета трубопроводов систем отопления

№ участка	Тепловая нагрузка, Qуч, Вт	Расход воды Gуч, кг/ч	Длина участка l, м	Диаметр трубы d, мм	Скорость движения теплоносителя v, м/с	Удельная потеря давления Rt,Па/м	Потеря давления на трение, Rtl, Па	Сумма коэффициентов местных сопротивлений Σξ	Потеря давления в местных сопротивлениях Z, Па	Суммарная потеря давления Rtl+Z

Печное отопление

Печное отопление — вид местного отопления, при котором помещения обогреваются установленными в них отопительными печами.

Благодаря простоте устройства и возможности использования разнообразных видов местного топлива печное отопление получило широкое распространение в различных странах и применяется на протяжении многих столетий. Основные элементы отопительной печи - топливник (для сжигания топлива), газоходы (каналы), по которым проходят поступающие из топливника горячие газы, дымовая труба. Тепло, выделяемое в печи при сгорании топлива, передаётся помещению через стенки топливника и газоходов; охладившиеся газы отводятся наружу через дымовую трубу. Стенки топливника и газоходов выполняют кирпичной кладкой, из жаростойкого бетона, керамических и др. огнеупорных материалов. Наружные поверхности печи, отдающие тепло в отапливаемое помещение, могут быть оштукатурены, отделаны изразцами, стальными, чугунными и т.д.

В современном печное отопление различают 2 основных типа отопительных печей: периодического действия и длительного (или непрерывного) горения. Печи периодического действия топят 1-2 раза в сутки со значительными перерывами, во время которых печи остывают; их теплоотдача в течение суток неравномерна. Печи длительного горения, загруженные достаточным количеством топлива, рассчитаны на топку в течение нескольких суток; в них используют лишь определённые виды топлива (жидкое, брикетированное, сортированный уголь и т.п.).

Преимуществами печного отопления являются: относительная простота печей, возможность их сооружения из местных материалов (кирпич, глина, песок, известь) и способность печей использовать местное топливо любого типа; существенно меньшие затраты на строительство и эксплуатацию по сравнению с другими системами отопления.

К недостаткам печного отопления относят: опасность отравления угарным газом людей, находящихся в помещении; пожароопасность некоторых конструкций; необходимость регулярной очистки печей от золы и сажи.

Печи, предназначенные для отопления зданий, делят на два типа: нетеплоемкие и теплоемкие.

Для кратковременного обогрева помещений применяют нетеплоемкие печи (типа «буржуек»). Они требуют непрерывной топки. Эти печи изготовляют из листовой стали с использованием труб чугунного литья диаметром 10... 12 дюймов.

Теплоемкие печи применяют для постоянного обогрева помещений. Они требуют периодической топки и имеют большой теплоаккумулирующий объем (0,2 м³ и более). Несмотря на большое конструктивное разнообразие печей их дымоход (канал для отвода дымовых газов в дымовую трубу) выполняют по одной из трех схем (рис. 1): канальной, колпаковой или комбинированной.

По толщине стенок печи подразделяют на тонкостенные (до 7 см) и толстостенные (12 см и более), обладающие повышенной теплоемкостью.

Рисунок 1. Схемы дымоходов отопительных печей: а - канальная; б - колпаковая; в - комбинированная; 1 - топливник; 2 - дымоход; 3 - заслонка; 4 - колпак

Рисунок 2. Конструкция тонкостенной печи МВМС-61: 1 - поддон для золы; 2 - каркас; 3 - топочная дверца; 4 - патрубок присоединения печи к дымовой трубе; 5 - заслонка; 6 - колосниковая решетка

Рисунок 3. Конструкция толстостенной печи ОПЗ-3: 1 - поддувало; 2 - дверца поддувала; 3 - колосниковая решетка; 4 - топочная дверца; 5 - крышка, закрывающая отверстие для прочистки дымоходов; 6 - заслонки; 7 - дымовая труба

Максимальная температура поверхности печей (кроме чугунного настила, дверок и других печных приборов) не должна превышать 90 °С - в помещениях детских дошкольных и лечебно-профилактических учреждений; 110 °С - в других зданиях и помещениях на площади печи не более 15 % общей площади поверхности печи; 120 °С - в других зданиях и помещениях на площади печи не более 5 % общей площади поверхности печи.

В помещениях с временным пребыванием людей при установке защитных экранов допускается применять печи с температурой Поверхности выше 120 °С.

Для отопления трех помещений, расположенных на одном этаже, можно использовать одну печь. В двухэтажных зданиях можно применять двухъярусные печи с обособленными топливниками и дымоходами для каждого этажа, а в двухъярусных квартирах - с одной топкой на первом этаже. Применение деревянных балок в перекрытии между верхним и нижним ярусами печи не допускается.

В зданиях общеобразовательных школ, детских дошкольных, лечебно-профилактических учреждений, клубов, домов отдыха и гостиниц печи следует размещать так, чтобы топливники обслуживались из подсобных помещений или коридоров, имеющих окна с форточками и вытяжную вентиляцию с естественным побуждением.

По форме в плане отопительные печи могут быть прямоугольными, квадратными, круглыми и угловыми.

Располагать печи следует, как правило, у внутренних стен и перегородок из негорючих материалов, предусматривая использование их для размещения дымовых каналов. Каналы для удаления дыма можно выполнять в наружных стенах из негорючих материалов, утепленных при необходимости с наружной стороны для исключения конденсации влаги из отводимых газов. Если стены, в которых могут быть размещены дымовые каналы, отсутствуют, то для отвода дыма следует применять насадные или коренные дымовые трубы.

В зданиях с печным отоплением не допускаются:

— устройство вытяжной вентиляции с искусственным побуждением, не компенсированной притоком с искусственным побуждением;

— отвод дыма в вентиляционные каналы и установка вентиляционных решеток на дымовых каналах.

При применении печного отопления строительные конструкции зданий обязательно нужно защищать от возгорания:

— пол из горючих или трудногорючих материалов под топочной дверкой - металлическим листом размерами 700х500 мм, располагаемым длинной его стороной вдоль печи;

— стену или перегородку из негорючих материалов, примыкающую под углом к фронту печи, - штукатуркой толщиной 25 мм на металлической сетке или металлическим листом на асбестовом картоне толщиной 8 мм от пола до уровня, превышающего на 250 мм верх топочной дверки.

Расстояние от топочной дверки до противоположной стены должно быть не менее 1250 мм.

При конструкции перекрытия или пола из горючих и трудногорючих материалов расстояние от уровня перекрытия или пола до дна зольника должно быть не менее 140 мм, до дна газооборота - не менее 210 мм. Если перекрытие или пол выполнены из негорючих материалов, дно газооборотов и зольников может находиться на уровне перекрытия или пола.

Под каркасными печами, в том числе на ножках, пол из горючих материалов защищают от возгорания листовой сталью на асбестовом картоне толщиной 10 мм, при этом расстояние от низа печи до пола должно быть не менее 100 мм.

К дымовым трубам печи допускается присоединять патрубками длиной не более 0,4 м при следующих условиях:

— расстояние от верха патрубка до потолка из горючих материалов должно быть не менее 0,5 м при отсутствии защиты потолка от возгорания и не менее 0,4 м при наличии защиты;

— расстояние от низа патрубка до пола из горючих или трудногорючих материалов должно быть не менее 0,14 м.

Патрубки нужно изготовлять из негорючих материалов, обеспечивая предел огнестойкости 0,75 ч и более.

Для каждой печи предусматривают отдельную дымовую трубу (рис. 4) или канал, но допускается присоединять к одной трубе две печи, расположенные в одной квартире на одном этаже. При соединении труб следует предусматривать рассечки толщиной 0,12 м и высотой не менее 1 м от низа соединения труб.

При тепловой мощности печи до 3,5 кВт сечение дымовых труб принимают не менее 140х 140 мм, при мощности 3,5...5,2 кВт - не менее 140x200 мм, при мощности 5,2...7 кВт - не менее 140х270 мм.

Рисунок 4. Виды дымовых труб и их размещение: а - насадная; б - коренная; в - устройство оголовков труб на кровле; г - разделка; 1 - печь; 2 - насадная дымовая труба; 3 - задвижка; 4 - выдра; 5 - оголовок трубы; 6 - глиняная обмазка; 7 - разделка из кирпича; 8 - слой асбеста; 9 - балка; 10 - деревянный пол; 11 – плитка

Если применяют круглые дымовые каналы, то площадь их сечения должна быть не менее площади указанных прямоугольных каналов для соответствующей мощности печи. В дымовых каналах печей, работающих на дровах, нужно устанавливать последовательно две плотные задвижки (см. рис. 4, а), а в каналах печей, работающих на угле или торфе, - одну задвижку с отверстием диаметром 15 мм (см. рис. 4, б).

Высоту дымовых труб (от колосниковой решетки до устья) следует принимать не менее 5 м.

Высоту дымовых труб, размещаемых на расстоянии, равном или большем высоты сплошной конструкции, выступающей над кровлей, следует принимать:

— не менее 500 мм над плоской кровлей;

— не менее 500 мм над коньком кровли или парапетом при расположении трубы на расстоянии до 1,5 м от конька или парапета (см. рис. 4, в);

— не ниже конька кровли или парапета при расположении дымовой трубы на расстоянии 1,5...3 м от конька или парапета;

— не ниже линии, проведенной от конька вниз под углом 10° к горизонту, при расположении дымовой трубы от конька на расстоянии более 3 м.

Дымовые трубы следует выводить выше кровли более высоких зданий, пристроенных к зданию с печным отоплением.

Высоту вытяжных вентиляционных каналов, расположенных рядом с дымовыми трубами, следует принимать равной высоте этих труб.

Дымовые трубы нужно конструировать вертикальными, без уступов, из глиняного кирпича со стенками толщиной не менее 120 мм или из жаростойкого бетона толщиной не менее 60 мм, предусматривая в их основаниях карманы глубиной 250 мм с отверстиями для очистки, закрываемые дверками. Можно изготовлять дымовые трубы с отклонением под углом до 30° к вертикали с относом не более 1 м; при этом наклонные участки должны быть гладкими, постоянного сечения, площадью не менее площади поперечного сечения вертикальных участков. От атмосферных осадков нужно защищать устья кирпичных дымовых труб на высоту 0,2 м. Устройство зонтов, дефлекторов и других насадок на дымовых трубах не допускается. На зданиях с кровлями из горючих материалов дымовые трубы должны иметь искроуловители из металлической сетки с отверстиями размерами не более 5x5 мм.

Размеры разделок печей и дымовых каналов (см. рис. 4, г) с учетом толщины стенки печи нужно принимать равными 500 мм до конструкции зданий из горючих материалов и 380 мм до конструкций, защищенных от возгорания.

Толщину стенок дымовых труб или дымовых каналов в месте примыкания их к металлическим или железобетонным балкам следует принимать 130 мм.

Разделки печей и труб, установленных в проемах стен и перегородок из горючих материалов, нужно делать на всю высоту печи или дымовой трубы в пределах помещения. При этом толщину следует принимать не менее толщины указанной стены или перегородки.

Зазоры между перекрытиями, стенами, перегородками и разделками следует заполнять негорючими материалами.

Отступку - пространство между наружной поверхностью печи, дымовой трубы или дымового канала и стеной, перегородкой или другой конструкцией здания, выполненной из горючих или трудногорючих материалов, следует принимать в соответствии с рекомендациями СНиП 2 04.05-91* или паспортом печи завода-изготовителя.

Пол в закрытой отступке изготовляют из негорючих материалов и располагают на 70 мм выше пола помещения. В стенах, закрывающих отступку, предусматривают отверстия над полом и вверху с решетками, каждое площадью живого сечения не менее 150 см².

Между верхом перекрытия печи, выполненного из трех рядов кирпича, и потолком из горючих или трудногорючих материалов, защищенным штукатуркой по стальной сетке или стальным листом на асбестовом картоне толщиной 10 мм, оставляют в свету расстояние: 250 мм для печей с периодической топкой и 700 мм - для печей длительного горения, а при незащищенном потолке - соответственно 350 и 1000 мм. Для печей, имеющих перекрытие из двух рядов кирпича, указанные расстояния следует увеличить в 1,5 раза.

Между верхом металлической печи с теплоизолированным перекрытием и защищенным потолком расстояние должно быть 800 мм, а для печи с не теплоизолированным перекрытием и незащищенным потолком - 1200 мм.

Пространство между перекрытием теплоемкой печи и потолком из горючих или трудногорючих материалов допускается закрывать со всех сторон кирпичными стенками. Толщину перекрытия печи при этом следует увеличивать до четырех рядов кирпичной кладки, а расстояние от потолка принимать таким же, как указано выше. Расстояние от наружных поверхностей кирпичных или бетонных дымовых труб до стропил, обрешеток и других деталей кровли из горючих или трудногорючих материалов следует предусматривать в свету не менее 130 мм, от керамических труб без изоляции - 250 мм, а при теплоизоляции негорючими или трудногорючими материалами с сопротивлением теплопередаче 0,3 (м²·°С)/Вт - 130 мм. Пространство между дымовыми трубами и конструкциями кровли из негорючих или трудногорючих материалов следует перекрывать негорючими кровельными материалами. Исходными данными для выбора отопительных печей являются расчетные тепловые потери отапливаемых помещений. Часовая тепловая мощность теплоемкой печи должна равняться (допустимое отклонение составляет ±15 %) расчетным теплопотерям, вычисленным при средней температуре наиболее холодной пятидневки (для соответствующего района строительства).

После выбора и размещения на плане здания печей рассчитывают амплитуду колебания температуры воздуха отапливаемого помещения в период между топками по формуле:

(1)

Где: К_н - коэффициент неравномерности теплопередачи печи по времени при двух топках в сутки; Q - расчетная тепловая мощность отопительной печи, Вт; B_i - коэффициент теплоусвоения соответствующего ограждения, Вт/(м · °С); F_i - площадь ограждений печи, обращенных в отапливаемое помещение, м².

Если амплитуда колебаний температуры воздуха в помещении в результате расчетов окажется больше 3 °С, то необходимо подобрать другую печь той же мощности, но с меньшим коэффициентом неравномерности К_н (паспортная характеристика), т. е. с большей теплоаккумулирующей способностью.

Классификация печей

По теплоемкости печи делят на теплоемкие и не теплоемкие. Понятие о сроке остывания относится к теплоемким печам, так как не теплоемкие печи теплоту не аккумулируют и требуют постоянной топки.

Теплоемкие печи в зависимости от срока их остывания подразделяют на печи большой теплоемкости (со сроком остывания до 12 ч), средней (8 ч) и малой (3...4 ч) теплоемкости.

По температуре теплоотдающей поверхности в соответствии с предъявляемыми требованиями различают печи:

Ø умеренного прогрева (толстостенные печи с толщиной стенок 120 мм и более, нагревающиеся в отдельных местах до температуры 90°С);

Ø повышенного прогрева (тонкостенные печи с толщиной стенок газохода до 70 мм, температура поверхности которых в отдельных точках доходит до 110... 120°С);

Ø высокого прогрева (печи, температура поверхности которых не ограничена).

По схеме движения дымовых газов печи устраивают:

ü с движением газов по каналам, соединенным последовательно:

ü однооборотные с одним подъемным каналом,

ü двухоборотные с двумя подъемными каналами,

ü многооборотные с восходящим движением газов по нескольким подъемным каналам;

ü с движением газов по каналам, соединенным параллельно:

ü однооборотные,

ü двухоборотные;

ü со свободным движением газов:

ü бесканальные (колпаковые);

ü с движением газов по комбинированной системе каналов с нижним прогревом (с подтопочным дымооборотом):

ü с последовательной,

ü с параллельной

ü с бесканальной надтопочной частью;

ü с движением гaзов по каналам, соединенным последовательно вокруг тепловоздушных камер.

По материалу массива и отделке внешней поверхности печи бывают (в порядке убывания теплоемкости):

· кирпичные изразцовые;

· кирпичные оштукатуренные;

· бетонные из жаростойких блоков;

· кирпичные в металлических футлярах;

· стальные с внутренней футеровкой из огнеупорного кирпича;

· чугунные без футеровки.

По форме в плане печи выполняют:

ü прямоугольными,

ü квадратными,

ü круглыми,

ü угловыми (треугольными).

По способу отвода дымовых газов различают печи:

Ø с удалением газов через внутристенные каналы,

Ø с удалением газов через насадные дымовые трубы,

Ø с удалением газов через коренные дымовые трубы.

Газовое отопление

Для отопления газ используют в различных установках: обычных или специальных котлах, комнатных печах, приборах квартирного или местногоотопления, в газовых отопительно-вентиляционных агрегатах.

Газовое топливо имеет два основных недостатка: взрывоопасность газовоздушных смесей и токсичность самого газа (особенно продуктов eгo неполного сгорания), в связи с чем необходимо предусматривать систему безопасности, а также предъявлять повышенные требования при эксплуатации установок газового отопления.

Газовые отопительные печи

Газовые печи наиболее экономичны среди других видов печей (их КПД примерно в 1,3 раза выше КПД печей на твердом топливе). Работа их может быть полностью автоматизирована. в теплоемкой кирпичной печи стенки топливника при установке горелок непрерывного действия выкладывают из глиняного кирпича, горелок периодического действия из огнеупорного. В верхней части топливника устанавливают решетку из огнеупорного кирпича. Излучение от нее дополнительно нагревает стены топливника, что способствует более равномерному нагреванию помещения по высоте.

Каналы печи выкладывают из кирпича в три яруса для развития тепловоспринимающей поверхности на коротком пути движения продуктов сгорания газа. В центре восходящих потоков горючих газов расположены один над другим три ряда рассекателей, которые направляют продукты сгорания к боковым стенам печи. Печь сверху дополняют тягопрерывателем, который предохраняет ее от избыточной и обратной тяги, что важно для устойчивой работы горелки. Кроме того, через тягопрерыватель осуществляется постоянное вентилирование верхней зоны помещения.