Гидравлический расчет трубопроводов системы отопления

Рекомендации по выбору и конструированию систем отопления приведены в [2,4-8]. В зданиях до четырех этажей рекомендуется применять двухтрубную систему отопления, разводка системы студенту задается преподавателем.

Принятая конструкция системы отопления должна быть представлена аксонометрической схемой в пояснительной записке и на чертеже. На аксонометрической схеме должны быть изображены все повороты, скобы, утки, необходимая арматура; на схеме, приведенной в пояснительной записке, дополнительно к выше сказанному, должны быть указаны номера рассчитываемых участков, их длина и тепловая нагрузка. Аксонометрическая схема является основой для гидравлического расчета трубопроводов.

Расчетным участком называется участок трубопровода постоянного диаметра с постоянным расходом теплоносителя. Исключение составляют стояки вертикальных однотрубных систем, где на расчетном участке могут быть трубы разного диаметра.

Циркуляционное кольцо - это замкнутый контур в системе отопления. Количество циркуляционных колец в двухтрубной системе отопления равно числу отопительных приборов.

Целью гидравлического расчета трубопроводов системы отопления является определение оптимальных диаметров труб, при которых обеспечивается устойчивая и надежная доставка расчетного количества теплоносителя ко всем отопительным приборам при заданном перепаде давления теплоносителя в подающей и обратной магистралях тепловой сети на вводе.

Задача гидравлического расчета сводится к выбору минимальных диаметров на всех участках сети таким образом, чтобы гидравлическое сопротивление главного циркуляционного кольца не превышало располагаемого циркуляционного давления с запасом 5…10%, а разность гидравлических сопротивлений главного полукольца и каждого из остальных полуколец не превышала 15% .

Гидравлический расчет трубопроводов производится в следующем порядке:

1) Определяется главное циркуляционное кольцо. Это кольцо проходит через наиболее удаленный отопительный прибор первого этажа и является самым нагруженным во всей системе. Главное кольцо разбивается на расчетные участки, начиная с обратной подводки наиболее неблагоприятно расположенного отопительного прибора по обратным трубопроводам до узла ввода и далее по подающим трубопроводам до расчетного прибора.

2) Определяется расчетное циркуляционное давление для главного циркуляционного кольца по формуле

, (10)

где - заданный перепад давления в магистралях тепловой сети на вводе, Па;

- коэффициент, определяющий долю максимального гравитационного давления, которую целесообразно учитывать в расчетных условиях. Для двухтрубных систем

- естественное гравитационное давление, создаваемое в системе за счет охлаждения воды в отопительных приборах в расчетных условиях:

(11)

где - ускорение свободного падения, м/с²;

- вертикальное расстояние от оси узла ввода до оси отопительного прибора расчетного кольца, м;

- соответственно плотность охлажденной и горячей воды, кг/м³;

- соответственно температура на входе в прибор и выходе из прибора, ºС;

- естественное гравитационное давление, создаваемое за счет остывания воды в трубопроводах, определяется по прил.4 [5]. В системах отопления с нижней разводкой не учитывается.

3) Для каждого участка расчетного кольца определяется расход теплоносителя, кг/ч

, (12)

где - суммарная тепловая мощность отопительных приборов, подсоединенных к i-му участку трубопровода, Вт;

- удельная массовая теплоемкость воды ( кДж/(кг·К)).

4) Определяются ориентировочные удельные потери давления на трение на 1 м длины трубопровода

, (13)

где - доля потерь давления на трение, для систем с искусственной циркуляцией принимается равной 0,65;

- расчетное циркуляционное давление, Па;

- сумма длин рассчитываемых участков, м.

Найденная величина является приближенной. При подборе диаметров труб для конкретных участков могут применяться величины, большие или меньшие .

5) Для каждого расчетного участка главного циркуляционного кольца, ориентируясь на по приложению 6 [5] отыскивается заданный расход теплоносителя и определяется соответствующее ему значение диаметра трубопровода , скорости движения теплоносителя и фактическое значение удельной потери давления на трение .

6) Вычисляется расчетная потеря давления на трение на участке, равная произведению .

7) По каждому расчетному участку главного циркуляционного кольца по приложению 5 [5] определяется сумма коэффициентов местных сопротивлений .

8) По скорости движения теплоносителя по приложению 7 [5] находится значение динамического давления

. (14)

9) Произведение определяет потери давления на местные сопротивления на рассчитываемом участке.

10) По каждому расчетному участку вычисляется полная потеря давления

. (15)

11) Определяется полная потеря давления в главном циркуляционном кольце

. (16)

12) Рассчитывается запас давления на неучтенные в расчете гидравлические сопротивления

. (17)

Если запас давления окажется меньше 5% или больше 10%, то необходимо соответственно увеличить или уменьшить диаметры наиболее нагруженных участков главного циркуляционного кольца.

Рассчитанное таким образом главное циркуляционное кольцо принимается в дальнейших расчетах за опорное для гидравлической увязки всех остальных колец циркуляции системы. Для каждого циркуляционного кольца есть точки, общие с главным циркуляционным кольцом, где происходит деление или слияние потоков. Задача дальнейшего расчета состоит в подборе диаметров участков малых колец таким образом, чтобы гидравлические потери в них были равны потерям давления соответствующих участков главного циркуляционного кольца.

Расчет малых полуколец производится аналогично расчету главного циркуляционного кольца. Величина невязки в полукольцах определяется по формуле

, (18)

где - потеря давления в главном полукольце, равная потере давления на участках, не имеющих общих точек с малым полукольцом, Па;

- потеря давления в малом полукольце, Па.

Если по расчету невязка получилась больше 15%, то в нижней части стояка малого полукольца необходимо установить дополнительное местное сопротивление (кран двойной регулировки или дроссельную диафрагму).

Диаметр отверстия дроссельной диафрагмы рассчитывают по формуле

. (19)

Диаметр отверстия шайбы округляют до 0,1 мм в ближайшую сторону. Для уменьшения возможности засорения отверстия диаметр шайбы принимают не меньше 3 мм.

При выполнении гидравлического расчета необходимо следить, чтобы скорости движения воды не превышали предельно допустимых значений (из условия бесшумной работы системы отопления).

Расчетные данные гидравлического расчета сводятся в таблицу 3.

Таблица 3. Гидравлический расчет системы отопления

Номер участка	, Вт	, кг/ч	, м	, мм	, м/с	, Па/м	, Па		, Па	, Па	, Па

1. Определение числа секций отопительных приборов

Отопительные приборы систем водяного отопления представляют собой поверхностные теплообменники, внутри которых перемещается теплоноситель.

Отопительные приборы, как правило, размещаются под световыми проемами в местах, доступных для осмотра, ремонта и очистки от пыли.

Расчет производится в следующей последовательности:

1) Выбираем отопительный прибор по табл. 8.1 [5].

2) Теплоотдачу отопительного прибора принимаем равной теплопотребности помещения пренебрегая при этом теплоотдачей трубопроводов, прокладываемых в пределах помещения.

3) Определяем расход теплоносителя в отопительном приборе

, (20)

где - удельная теплоемкость воды, ;

- параметры теплоносителя в отопительном приборе, ºС.

Определяем расчетную плотность теплового потока отопительного прибора , Вт/м²

, (21)

где - номинальная плотность теплового потока отопительного прибора, Вт/м2 (принимается по табл.8.1) [5];

- поправочный коэффициент, учитывающий влияние изменения температур

, (22)

где - температурный напор прибора, равный разности полусуммы температур теплоносителя на входе и выходе отопительного прибора и температуры воздуха в помещении

; (23)

- поправочный коэффициент, учитывающий влияние изменения расхода теплоносителя

; (24)

- расход теплоносителя в отопительном приборе, кг/с;

- показатели степени, принимаемые по табл. 8.1 [5];

- коэффициент, учитывающий схему присоединения отопительного прибора и изменения показателя степени в различных диапазонах расхода теплоносителя, принимается по табл. 8.1 [5].

Определяется расчетная площадь отопительного прибора

, (25)

где - коэффициент учета дополнительного теплового потока устанавливаемых отопительных приборов за счет округления сверх расчетной величины, принимается по табл. 8.2 [5];

- коэффициент учета дополнительных потерь теплоты отопительными приборами у наружных ограждений, принимается по табл. 8.3 [5].

Расчетное число секций отопительных приборов определяют по формуле

, (26)

где - площадь поверхности нагрева одной секции отопительного прибора, м², принимается по табл. 8.1 [5];

- коэффициент, учитывающий способ установки прибора в помещении, рис.8.13 [5], при открытой установке;

- коэффициент, учитывающий число секций в одном приборе и принимается для радиаторов типа МС-140 равным: при числе секций от 3 до 15 = 1, от 16 до 20 = 0,98, от 21 до 25 = 0,96, а для остальных типов радиаторов вычисляется по формуле

. (27)

4) Находим установочное число секций отопительных приборов , округляя до целых значений расчетное число секций приборов . При этом допускается уменьшение теплового потока не более чем на 5% (но не более чем на 60 Вт). Как правило, к установке принимается ближайшее большее число секций.

Результаты расчета отопительных приборов сводятся в таблицу 4.

Таблица 4. Расчет числа секций отопительных приборов.

№ пом.

, ºС

, Вт

, кг/с

, ºС

, Вт/м2

, шт.

, шт.

1. Выбор конструкции и расчет системы естественной вентиляции

В жилых зданиях согласно [6] рекомендуется устраивать естественную канальную вытяжную вентиляцию с вытяжкой воздуха в каждой квартире из кухонь, ванных комнат, туалетов или совмещенных санузлов и неорганизованный приток в каждое помещение через окна, форточки, балконные двери. Исключение составляют жилые комнаты, не смежные с санитарными узлами и кухнями, в квартирах без сквозного или углового проветривания, состоящих из четырех комнат и более, в этих случаях естественную вытяжку следует устраивать непосредственно из таких комнат.

В зданиях до четырех этажей вытяжку воздуха из помещений рекомендуется осуществлять обособленными вертикальными каналами с устройством их во внутренних стенах. В крупнопанельных или крупноблочных зданиях используются специальные вентиляционные блоки.

Совмещение вентиляционных систем разноименных по назначению помещений (например, кухонь и санузлов с унитазом), не допускается.

При прокладке вентиляционных каналов в кирпичных стенах размер каналов должен быть кратным ½ кирпича и составлять не менее ½ ´ ½ (140´140 мм). Толщину стенок канала следует принимать не менее ½ кирпича, простенки между каналами – ½ кирпича, между разноименными каналами 1 кирпич.

Каналы в стенах, сложенных из силикатного кирпича, шлакобетона и других пористых или влагоемких материалов, следует устраивать путем закладки асбестоцементных труб с внутренним диаметром не менее 100 мм или выполнить из обыкновенного кирпича.

Каналы во внутренних кирпичных стенах рекомендуется устраивать возле проемов и стыков стен на расстоянии не менее 1 ½ кирпича. Соотношение сторон канала следует принимать не более 1:3.

На воздухоприемных отверстиях вентиляционных каналов в помещениях на расстоянии 200-250 мм от потолка следует устраивать вентиляционные решетки, изготовленные из металла, пластмассы или гипса. Стандартная решетка имеет живое сечение 60 %. Размеры решеток определяются исходя из скорости прохода воздуха (0,5¼1,0 м/с). На большую скорость рассчитываются решетки нижних, на меньшую – верхних этажей.

Высоту вытяжной шахты над кровлей рекомендуется определять следующими условиями: если шахта расположена возле конька крыши, ее устье должно возвышаться над коньком не менее чем на 0,5 м; если шахта расположена от конька на расстоянии 1,5¼3,0 м, ее устье должно устанавливаться на уровне конька; если же шахта расположена от конька на расстоянии более 3,0 м, ее устье выводится до прямой, проведенной от конька под углом 10º к горизонту. Во всех случаях расстояние от кровли до устья канала должно быть не менее 0,5 м и не более 1,5 м (рис 1).

Рисунок1 Высота вытяжной шахты над кровлей

С целью предотвращения попадания в канал атмосферных осадков над устьями вентиляционных каналов (шахт) следует устанавливать защитные зонты.

Лестничные клетки проветриваются через вытяжные каналы и шахты.

Принятую конструкцию одной из групп систем вентиляции необходимо представить аксонометрической схемой, выполненной в масштабе 1:100 и включающей все основные элементы.

Конечной целью расчета системы естественной вентиляции является определение размеров сечения воздуховодов, обеспечивающих удаление из обслуживаемых помещений расчетного количества воздуха при действующем гравитационном давлении.

Расчет естественной вентиляции рекомендуется производить в следующем порядке:

1) Определяем располагаемое гравитационное давление

,(28)

где - высота от оси решетки до плоскости выпускаемого отверстия шахты над крышей или до оси дефлектора на шахте, м;

- плотность соответственно, наружного и внутреннего воздуха, кг/м³, находится по приложению 8 [5].

Температура наружного воздуха для расчета вытяжных систем естественной вентиляции принимается равной 5ºС.

2) Определяем количество воздуха, удаляемого через вентиляционные каналы кухни, ванной комнаты и санузла.

Для этого сравниваем значения суммарного нормативного количества удаляемого воздуха из жилых комнат, м³/ч

, (29)

с суммарным нормативным расходом удаляемого воздуха из служб

, (30)

где - коэффициент нормативного воздухообмена для жилых помещений в м³/ч на 1 м² жилой площади, определяемый по прил. 1 [5].

- суммарная жилая площадь квартиры, м²;

- нормативные значения вытяжки соответственно для кухни, ванной комнаты и санузла, принимаются по прил. 1 [5].

Если , количество воздуха, удаляемого через каналы кухни, ванной комнаты и санузла принимаются равным нормативной вытяжке из этих помещений.

Если , то разность следует распределить между каналами кухни, ванной комнаты и санузла пропорционально значениям их нормативной вытяжки.

В целях уменьшения объема работы, дальнейший расчет будет вестись для одного канала (кухни или комнаты) второго этажа любой из квартир.

3) Для расчетного канала или каждого участка ветви вентиляционной системы, задаваясь ориентировочной скоростью воздуха в канале, определяем требуемую площадь сечения канала, м/с

, (31)

где - расход удаляемого воздуха через канал или участок сети, м³/ч;

- ориентировочная скорость воздуха, принимаемая 0,5-0,6 м/с для вертикальных каналов (допускается принимать до 1 м/с в сборных воздуховодах), 1–1,5 м/с - в вытяжной шахте.

4) По полученному ориентировочному значению требуемой площади сечения выбираем размеры стандартного вытяжного канала и его эквивалентное значение по табл. 14.2 [5].

5) Уточняем скорость воздуха в канале или на участке ветви, м/с

, (32)

где – принятая фактическая площадь сечения канала, м².

Полученная скорость должна находится в вышеуказанных пределах. В противном случае необходимо изменить сечение канала.

6) По полученным значениям скорости и эквивалентного диаметра воздуховода для расчетного канала или каждого участка расчетной ветви определяем удельную потерю давления на преодоление сил трения , Па/м, и динамическое давление , Па, по номограмме рис. 14.9 [5].

7) По расчетному каналу или каждому участку ветви, пользуясь аксонометрической схемой и прил. 9 [5] определяем сумму коэффициентов местных сопротивлений .

8) По расчетному каналу или для каждого участка ветви вычисляется полная потеря давления Па

,(33)

где - коэффициент шероховатости, принимаемый по табл. 14.3 [5].

- потери давления в местных сопротивлениях, Па

. (34)

9) Полученное значение полной потери давления в канале или расчетной ветви сравниваем с гравитационным давлением и определяем величину запаса:

,%. (35)

Запас должен составлять 10–15 %. Если запас меньше 10 % или больше 15 %, следует соответственно увеличить или уменьшить сечение канала или некоторых участков ветви.

При небольших отклонениях можно воспользоваться изменением живого сечения вентиляционных решеток.

Результаты расчета сводим в таблицу 5.

Таблица.

№ канала

, м

, м3/ч

, Па

, м/с

а´в, м

, м2

, мм

, м/с

, Па/м

, Па

, Па

, Па

Список рекомендуемой литературы.

1. ДСТУ Н. Б В. 1.1 – 27: 2010 Будівельна кліматологія

2. Справочник по теплоснабжению и вентиляции/ Р.В. Щекин, С.М. Кореневский, Г.Е. Бем и др. – К.: Будівельник, 1976 – 476 с.

3. ДБН В.2.6-31:2006 Теплова ізоляція будівель. – К.: Мінбуд, 2006. – 70 с.

4. ДБН В.2.2-15 – Жилые здания. Основные положения. – Государственный комитет Украины по строительству и архитектуре. Кеиев.2005. – 36 с.

5. Тихомиров К.В., Сергиенко Э.С. Теплотехника, теплогазоснабжение и вентиляция: Учеб. для вузов. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Стройиздат, 1991.- 480 с.

6. Русланов Г.В., Розкин М.Я., Ямпольский Э.А. Отопление и вентиляция жилых и гражданских зданий. – К.: Будівельник, 1983. - 272 с.

7. Ткачук А.Я. Проектирование систем водяного отопления. Учеб. пособие. – К.: Вища школа, 1989.- 192 с.

8. СНиП 2.04.05 – 91* Отопление, вентиляция и кондиционирование. Издание неофициальное, Киев. : КиевЗНИИЭП, 1996 - с. 89