Гидравлический расчёт трубопроводов

Перед выполнением гидравлического расчёта строится аксонометрическая схема системы отопления с нанесением всех элементов системы (нагревательные приборы, котлы, насосы и т.п.).

Выбираются расчётные циркуляционные кольца: большое (наиболее протяжённое и нагруженное) и малое (любое другое). Каждое циркуляционное кольцо разбивается на расчётные участки, характеризующиеся постоянным расходом и диаметром трубопровода. На аксонометрической схеме участки нумеруются, обозначаются их тепловые нагрузки и длины.

Выявляются местные сопротивления на участках и подсчитываются суммы коэффициентов местных сопротивлений согласно таблице III.65 [1]. Местные сопротивления (МС), расположенные на границе двух участков, относят к тому участку, где меньше расход воды. Расчёт приведён в таблице 5.2.

По величине тепловой нагрузки участка определяется расход теплоносителя (воды) через участок, кг/ч,

, (5.1)

где Q_уч – тепловая нагрузка участка, Вт;

с – удельная теплоемкость воды, кДж/(кг∙К), с = 4,186;

Затем принимается ориентировочное среднее значение удельных потерь давления на трение, , Па/м.

, (5.2)

где 0,5 – коэффициент показывающий, что половина располагаемого давления расходуется на сопротивление трения;

- длина всех расчетных участков, м;

- располагаемое давление, Па.

С использованием величин и по номограмме [3] определяем предварительное значение диаметра трубопровода на участке d, мм, затем по таблице III.60 [1] округляем его до стандартного d_уч. Далее по величинам и d_уч определяем уточнённые значения удельных потерь давления , Па/м, а также скорость воды , м/с, и динамическое давление , Па, на участке.

Потери давления на трение на участке находятся как произведение:

R_учl_уч. (5.3)

Потери давления на местные сопротивления определяются по формуле:

, (5.4)

Затем определяются общие потери давления на трение:

. (5.5)

Подсчитываются потери давления на трение и на местные сопротивления в целом по циркуляционному кольцу

. (5.6)

В той же последовательности проводится расчёт остальных циркуляционных колец. Ограничимся двумя кольцами, расчёт которых приведён в таблице 5.1.

Гидравлический расчёт системы отопления сводим в таблицу 5.1.

Рассчитаем располагаемое давление:

, (5.7)

ΔР_е – естественное давление, возникающее при охлаждении воды в приборах. Па,

ΔР_тр – естественное давление, возникающее в результате охлаждения воды в трубо­проводах, Па.

Естественное давление, возникающее при охлаждении воды в приборах нижнего этажа, определяется по формуле:

(5.8)

где -высота первого этажа, м;

- плотность охлажденной воды, кг/м³;

- плотность горячей воды, кг/м³;

Па.

зависит от расстояния до главного стояка и определяется по графику (лист III.25.) [1], так как расстояние до главного стояка 14 м, тогда Па.

Па.

Таблица 5.1- Гидравлический расчет системы отопления

№ участка	Q, Вт	G, кг/ч	l, м	Pрасп, Па	R1ср, Па	R, Па/м	R*l, Па	d, мм	w, м/c	hw, Па	(Σξ)уч	Z, Па	Z+R*l, Па
Большое циркуляционное кольцо
			1,000	531,89	3,52	1,1	1,10		0,027	0,36	3,6	1,28	2,38
			5,050	531,89	3,52		10,10		0,045	0,99		2,97	13,07
			2,140	531,89	3,52	4,5	9,63		0,068	2,26		2,26	11,89
			6,500	531,89	3,52	3,2	20,80		0,063	1,94		1,94	22,74
			5,690	531,89	3,52		34,14		0,090	3,96		3,96	38,10
			3,360	531,89	3,52	7,1	23,86		0,100	4,89		4,89	28,74
			2,100	531,89	3,52	3,8	7,98		0,085	3,53	3,5	12,36	20,34
			3,925	531,89	3,52		15,70		0,100	4,89		14,67	30,37
			11,350	531,89	3,52	2,8	31,78		0,094	4,32		25,92	57,70
			0,500	531,89	3,52	0,9	0,45		0,051	1,27	3,55	4,51	4,96
			0,500	531,89	3,52	0,9	0,45		0,051	1,25	3,55	4,45	4,90
			8,110	531,89	3,52	2,8	22,71		0,094	4,25		0,00	22,71
			1,600	531,89	3,52	7,1	11,36		0,100	4,81		9,63	20,99
			5,600	531,89	3,52		33,60		0,090	3,90		3,90	37,50
			6,500	531,89	3,52	3,2	20,80		0,063	1,91		1,91	22,71
			2,140	531,89	3,52	4,5	9,63		0,068	2,23		2,23	11,86
			8,500	531,89	3,52		17,00		0,045	0,97	2,5	2,44	19,44
			1,000	531,89	3,52	1,1	1,21		0,027	0,35	6,1	2,14	3,35
Сумма длин участков:	75,565						Суммарные потери давления:

Продолжение таблицы 5.1

№ участка	Q, Вт	G, кг/ч	l, м	Pрасп, Па	R1ср, Па	R, Па/м	R*l, Па	d, мм	w, м/c	hw, Па	(Σξ)уч	Z, Па	Z+R*l, Па
Малое циркуляционное кольцо
			1,000	531,89	3,94	1,4	1,40		0,044	0,95	3,6	3,41	4,81
			0,500	531,89	3,94	1,4	0,70		0,044	0,95	1,5	1,42	2,12
			2,140	531,89	3,94	4,5	9,63		0,068	2,26		2,26	11,89
			6,500	531,89	3,94	3,2	20,80		0,063	1,94		1,94	22,74
			5,690	531,89	3,94		34,14		0,090	3,96		3,96	38,10
			3,360	531,89	3,94	7,1	23,86		0,100	4,89		4,89	28,74
			2,100	531,89	3,94	3,8	7,98		0,085	3,53	3,5	12,36	20,34
			3,925	531,89	3,94		15,70		0,100	4,89		14,67	30,37
			11,350	531,89	3,94	2,8	31,78		0,094	4,32		25,92	57,70
			0,500	531,89	3,94	0,9	0,45		0,051	1,27	3,55	4,51	4,96
			0,500	531,89	3,94	0,9	0,45		0,051	1,25	3,55	4,45	4,90
			8,110	531,89	3,94	2,8	22,71		0,094	4,25		0,00	22,71
			1,600	531,89	3,94	7,1	11,36		0,100	4,81		9,63	20,99
			5,600	531,89	3,94		33,60		0,090	3,90		3,90	37,50
			6,500	531,89	3,94	3,2	20,80		0,063	1,91		1,91	22,71
			2,140	531,89	3,94	4,5	9,63		0,068	2,23		2,23	11,86
			4,900	531,89	3,94	1,4	6,86		0,044	0,95		3,00	9,86
			1,000	531,89	3,94	1,4	1,40		0,044	0,95	6,1	6,10	7,50
Сумма длин участков	67,415						Суммарные потери давления

Рассчитаем невязку:

Невязка допустима.

Расчёт местных сопротивлений сводим в таблицу 5.2

Таблица 5.2 - Расчёт местных сопротивлений

№ участка	Характер сопротивления	число МС х ξ	Σξ
	полрадиатора	1х0,6	3,6
тройник на противотоке	1х3
	отвод под углом 900	1х1,5	2,5
тройник на прямой проход	1х1
	тройник на прямой проход	1х1
	тройник на прямой проход	1х1
	тройник на прямой проход	1х1
	тройник на прямой проход	1х1
	тройник на противотоке	1х3	3,5
задвижка	3х0,5
	тройник на противотоке	1х3
	отвод под углом 900	4х1,5
	тройник на проход с поворотом	1х1,5	3,55
полкотла	1х1,25
задвижка	1х0,5
отвод под углом 900	1х0,3
	тройник на проход с поворотом	1х1,5	3,55
отвод под углом 900	1х0,3
задвижка	1х0,5
полкотла	1х1,25
	тройник на проход с поворотом	1х1,5
задвижка	1х0,5
	тройник на прямой проход	1х1
	тройник на прямой проход	1х1
	тройник на прямой проход	1х1
	тройник на проход с поворотом	1х1,5	2,5
отвод под углом 900	1х1
	тройник на проход с поворотом	1х1,5	6,1
кран двойной регулировки	1х4
полрадиатора	1х0,6
	полрадиатора	1х0,6	3,6
тройник на противотоке	1х3
	тройник на проход с поворотом	1х1,5	1,5
	тройник на проход с поворотом	1х1,5
отвод под углом 900	1х1,5
	полрадиатора	1х0,6	6,1
тройник на проход с поворотом	1х1,5
кран двойной регулировки	1х4

6 РАСЧЕТ СИСТЕМЫ ВЕНТИЛЯЦИИ

В канальных системах естественной вытяжной вентиляции воздух пе­ремещается в каналах и воздуховодах под действием естественного дав­ления, возникающего вследствие разности давлений холодного наруж­ного и теплого внутреннего воздуха.

Естественное давление Δр_е , Па, определяют по формуле:

, (6.1)

где h_i – высота воздушного столба, принимаемая от центра вытяжного отверстия до устья вытяжной шахты, м;

ρ_н, ρ_в – плотность соответственно наружного и внутреннего воздуха, кг/м³.

Расчетное естественное давление для систем вентиляции жилых и общественных зданий, согласно СНиП П-33-75, определяется для температуры наружного воздуха +5° С. Считается, что при более высоких наружных температурах, когда естественное давление становится весь­ма незначительным, дополнительный воздухообмен можно получать, открывая более часто и на более продолжительное время форточки, фрамуги, а иногда и створки оконных рам.

Анализируя выражение для естественного давления можно сделать следующие прак­тические выводы.

1. Верхние этажи здания по сравнению с нижними находятся в ме­нее благоприятных условиях, так как располагаемое давление здесь меньше.

2. Естественное давление становится большим при низкой температуре наружного воздуха и заметно уменьшается в теплое время года.

3. Охлаждение воздуха в воздуховодах (каналах) влечет за собой снижение действующего давления и может вызвать выпадение конденсата со всеми вытекающими при этом последствиями

Кроме того, из этого следует, что естественное давление не зависит от длины горизонтальных воздуховодов, тогда как для преодоления сопротивления в коротких ветвях воздуховодов, безусловно, требуется меньше давления, чем в ветвях значительной протяженности. На основании технико-экономических расчетов и опыта эксплуатации вытяжных систем вентиляции радиус действия их от оси вытяжной шахты до оси наиболее удаленного отверстия допускается не более 8 м.

Расчету воздуховодов (каналов) должна предшествовать следую­щая расчетно-графическая работа.

1. Определение воздухообменов для каждого помещения по кратностям (согласно СНиП соответствующего здания) или по расчету.

2. Компоновка систем вентиляции. В одну систему объединяют только одноименные или близкие по назначению помещения. Санитарные узлы во всех случаях обслуживаются самостоятельны­ми системами и при пяти унитазах и более оборудуются механическими побудителями. В курительных комнатах, как правило, осуществляется механическая вентиляция Вытяжку из комнат жилого дома с окнами, выходящими на одну сторону, рекомендуется объединять в одну систему.

3. Графическое изображение на планах этажей и чердака элемен­тов системы (каналов и воздуховодов, вытяжных отверстий и жалюзийных решеток, вытяжных шахт). Против вытяжных отверстий помещений указывается количество воздуха, удаляемого по каналу. Транзитные каналы, обслуживающие помещения нижних этажей, рекомендуется обозначать римскими цифрами (I, II, III и т.д.). Все системы вентиляции должны быть пронумерованы.

4. Вычерчивание аксонометрических схем в линиях, или, что лучше, с изображением внешних очертаний всех элементов системы. На схемах в кружке у выносной черты проставляется номер участка, над чертой указывается нагрузка участка, м³/ч, а под чертой – длина участка, м.

Аэродинамический расчет воздуховодов (каналов) выполняют по таблице или номограммам, составленным для стальных воздуховодов круглого сечения при ρ_в=1,205 кг/м³, t_в=20 °С. В них взаимосвязаны величины L, R, w, h_w и d.

Чтобы воспользоваться таблицей или номограммой для расчета воздуховода прямоугольного сечения, необходимо предварительно определить соответствующую величину равновеликого (эквивалентно­го), диаметра, т.е. такого диаметра круглого воздуховода, при котором для той же скорости движения воздуха, как и в прямоугольном воздуховоде, удельные потери давления на трение были бы равны. Диаметр определяется по формуле:

, (6.2)

где a, b – размеры сторон прямоугольного воздуховода, м.

Если воздуховоды имеют шероховатую поверхность, то коэффициент трения для них а, следовательно, и удельная потеря давления на трение будут соответственно больше, чем указано в таблице или номограмме.

Методика расчета воздуховодов (каналов) систем естественной вентиляции может быть представлена в следующем виде.

1. При заданных объемах воздуха, подлежащего перемещению по каждому участку каналов, принимают скорость его движения.

2. По объему воздуха и принятой скорости определяют предварительно площадь сечения каналов. Потери давления на трение и местные сопротивления для таких сечений каналов выявляют по таблицам или номограммам.

3. Сравнивают полученные суммарные сопротивления с располагаемым давлением. Если эти величины совпадают, то предварительно получен­ные площади сечения каналов могут быть приняты как окончательные. Если же потери давления оказались меньше или больше располагае­мого давления, то площадь сечения каналов следует увеличить или, на­обо­рот, уменьшить, т. е. поступать так же, как при расчете трубопро­вода системы отопления.

Определение воздухообмена в каждой из комнат проводим следующим образом:

Варочный зал:

(6.3)

где -выделения явного тепла, Вт;

n – число приборов, шт;

q – тепловыделение прибора, Вт.

Подбираем для варочного зала три газовые плиты секционные (на 1 м² в плане, размер 1,135х0,8 м при расходе газа на секцию 3,8 нм³/ч) с явным тепловыделением 4000 ккал/ч. (таблица VII.4 [5])

ккал/кг ^оС -теплоемкость воздуха;

- плотность воздуха, кг/м³

- температура уходящего воздуха, ^оС;

t_н- температура холодной пятидневки, ^оС.

м³/ч

Местные потери по участкам представлены в таблице 6.1:

Таблица 6.1 - Расчёт местных сопротивлений

№ участка	Характер сопротивления	число МС х ξ	Σξ
	жалюзийно-декоративная решётка	1х2,19	2,79
зонт с диффузором	1х0,6

Вытяжная решётка будет находиться на высоте 2,5 м над уровнем пола. Система вентиляции помещений представляет собой вертикальный приставной канал длиной м.

Для определения площади сечения канала на данном участке задаёмся скоростью движения воздуха по таблице 4.1 [6], м/с.

Площадь поперечного сечения канала, м², определяется по формуле:

, (6.4)

м²

Принимаем размеры поперечного сечения прямоугольного канала 0,55x0,55 м.

Уточним скорость движения воздуха на участке:

, (6.5)

м/с

Эквивалентный диаметр участка:

, (6.6)

где а, b – размеры поперечного сечения прямоугольного канала, м.

м

По номограмме, приложение 1 [6] определяем динамическое давление, Па и удельные потери давления на трение =0,021 Па/м.

Потери давления на местные сопротивления участка, Па:

, (6.7)

Па.

Потери давления на трение на участке с учётом шероховатости:

, (6.8)

где - коэффициент шероховатости материала канала, для шлакобетонных плит номограмма VII.12 [5];

Определяем значение абсолютной шероховатости для шлакобетонных плит К_э=1,5…10, по данному значению по номограмме VII.12 [5] находим .

Общие потери давления на участке, Па:

. (6.8)

Па.

Результаты расчёта системы вентиляции представлены в таблице 6.2.

Располагаемое давление, Па, в естественной вытяжной системе вентиляции определяется по формуле:

, (6.9)

где h – расстояние по вертикали от оси вытяжной решетки до устья вытяжной шахты, м, h =5,06;

– плотность наружного воздуха, кг/м³, при температуре 5 °С, ;

– плотность внутреннего воздуха, кг/м³, при °С, ;

Па.

Сравним полученные потери на участке 1 с располагаемым давлением:

1,8 Па < 2,63 Па, следовательно, условие естественной вентиляции P_расп.>Rl+Z = ΔP выполняется.

Запас давления в системе вентиляции:

; (6.11)

Избыточные давления гасятся за счет установки задвижки:

Коэффициент местного сопротивления задвижки:

(6.12)

Рисунок 6 – Задвижка

Таблица 6.2 - Расчёт местных сопротивлений

№ участка	Характер сопротивления	число МС х ξ	Σξ
	жалюзийно-декоративная решётка	1х2,19	4,68
зонт с диффузором	1х0,6
задвижка	1х1,89

Потери давления на местные сопротивления участка, Па:

Па.

Общие потери давления на участке, Па:

. Па.

Сравним полученные потери на участке 1 с располагаемым давлением:

2,61 Па < 2,63 Па, следовательно, условие естественной вентиляции P_расп.>Rl+Z = ΔP выполняется.

Запас давления в системе вентиляции:

Таблица 6.2 - Расчёт системы вентиляции

№ участка	Расход воздуха L, м3/ч	Длина участка l, м	Скорость воздуха на участке w, м/с	Площадь поперечного сечения воздухо-вода f, м2	Размеры воздуховода, м	Эквивалентный диаметр dэ, мм	Удельная потеря давления на трение R, Па/м	Потеря давления на трение R*l*β, Па	Сумма коэффициентов местных сопротивлений Σζ	Динамический напор Рдин, Па	Потеря давления на местные сопротивления Z=Σζ·Рдин,Па	Полные потери давления ΔP, Па
а	b
		5,05	0,87	0,250	0,50	0,50		0,021	0,456	4,68	0,46	2,153	2,609

7 ВЫБОР ОБОРУДОВАНИЯ КОТЕЛЬНОЙ

Необходимо подобрать котёл, выбрать дымовые каналы для него, и определить высоту дымовой трубы.

Выбор котла производится по суммарной поверхности нагрева, которая определяется по формуле:

м², (7.1)

где 1,1… - коэффициент запаса на производительные потери тепла соответственно при нижней и верхней разводке трубопроводов;

- расчетное количество тепла, ккал/ч;

- тепловое напряжение поверхности нагрева, ккал/(м²·ч).

В качестве расчетного количества тепла принимаем суммарные теплопотери всего здания Вт = 18322 ккал/ч.

По таблице V.13 определяем тепловое напряжение поверхности нагрева.

Для котлов типа ВНИИСТО-Мч большой модели при сжигании сортированного антрацита ккал/(м²·ч).

м².

Исходя из полученного результата, к установке принимаем 2 котла ВНИИСТО-Мч (большая модель) ГОСТ 7252-54, с максимальной теплопроизводительностью при сжигании сортированного антрацита 10000 ккал/ч.

· Количество секций котла – 2 штуки;

· Строительная длина – 280 мм;

· Ёмкость – 27,2 л;

· Поверхность нагрева – 1,18 м²;

· Масса без воды – 214 кг.

Для чугунных котлов ВНИИСТО-Мч подбираем размеры дымовых каналов по таблице V.21 [1].

· Площадь сечения канала – 378 см²

· Размеры канала, кирпичей –

· Высота трубы при известной теплопроизводительности – 10 м.

Рассчитаем часовой расход топлива:

Для водогрейных и паровых котлов расход рассчитывается по формуле:

, (7.2)

где - расход тепла, ккал/ч;

- средняя низшая теплота сгорания топлива ккал/кг;

- кпд котельной установки, для индивидуальных котельных установок =0,6 [1].

По таблице V.23 [1] для антрацита находим ккал/кг.

кг/ч.

Площадь склада для твердого топлива на месячный запас:

, м², (7.3)

где - объемная масса топлива, принимаемая по таблице V.23 [1], кг/м³, ;

- высота штабеля в зависимости от рода топлива, м, ;

м².

Расход твердого топлива за отопительный период:

, (7.4)

где 1,1… - коэффициент, учитывающий непроизводительные потери тепла;

- теплопотери здания, ккал/ч;

- средняя внутренняя температура отапливаемых помещений, ^оС;

т.

8 ПОДБОР РАСШИРИТЕЛЬНОГО БАКА

Объём воды, л, в элементах системы отопления (нагревательных приборах, трубопроводах и котлах) находится по формуле:

, (8.1)

где - тепловая мощность системы отопления, Вт, ;

- объём воды в элементах системы отопления, л, в расчёте на теплоотдачу 1163 Вт.

Для нагревательных приборов: л, для трубопроводов местной системы с насосной циркуляцией: л по таблице III.43 [1], для чугунных секционных котлов: л по таблице III.43 [1].

л.

Полезная ёмкость расширительного бака, л, при температуре в подающем трубопроводе ⁰С определяется по выражению:

, (8.2)

л.

По таблице III.44 [1] принимаем к установке стандартный сварной цилиндрический расширительный бак 1Е010 из листовой стали толщиной 3 мм полезной ёмкостью л.

Размеры расширительного бака: диаметр мм, высота мм. Размеры будки бака: см, см. Масса бака 35,9 кг.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Щекин Р.В., Кореневский С.М., Беем Г.Е. Справочник по теплоснабжению и вентиляции [Текст]: издание 4-е, переработанное и дополненное. Книга 1-я./ Р.В. Щекин, С.М. Кореневский, Г.Е. Беем и др. – Киев: «Будiвельник», 1976. - 416 с.

2. Полушкин В.И., Русак О.Н., Бурцев С.И. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха Ч.1. Теоретические основы создания микроклимата здания [Текст]: Уч. пос. / В.И. Полушкин, О.Н. Русак, С.И. Бурцев и др. – СПб: Профессия, 2002. – 176 с.

3. Щекин Р.В., Кореневский С.М., Беем Г.Е. Справочник по теплоснабжению и вентиляции [Текст]: издание 4-е, переработанное и дополненное. Книга 2-я./ Р.В. Щекин, С.М. Кореневский, Г.Е. Беем и др. – Киев: «Будiвельник», 1976. - 352 с.

4. Ржаницина Л. М. Расчет систем вентиляции [Текст]: методические указания к курсовому и дипломному проектированию. / Л. М. Ржаницина. – Архангельск: РИО АЛТИ, 1987. – 20с.

5. Ржаницина Л. М. Отопление и вентиляция [Текст]: методические указания к курсовой работе по дисциплине «Энергетические системы обеспечения жизнедеятельности». / Л. М. Ржаницина. – Архангельск: АГТУ, 2006. – 20с.