Справочник строителя | Системы водяного отопления

МЕТОДИКА ГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАСЧЕТА СИСТЕМЫ ВОДЯНОГО ОТОПЛЕНИЯ

Гидравлический расчет системы водяного отопления базируется на общих законах гидравлики. В настоящее время разработано 4 метода гидравлического расчета. Рассмотрим на примерах основной традиционный метод гидравлического расчета системы ЦО по удельным линейным потерям давления.

В примере 4.2 показано, что расход горячей воды в системе отопления, прежде всего, зависит от требуемой мощности ее Q_т.от.

По архитектурно-строительным чертежам здания, для которого проектируется система отопления, производится расчет требуемой тепловой мощности отопительных приборов для каждого помещения здания, имеющего наружные ограждающие конструкции. Методика расчета трансмиссионных теплопотерь, расходов теплоты на нагрев приточного наружного воздуха в каждое помещение и наличие внутренних тепловыделений рассмотрена в разделе Расчет режимов отопления.

В зависимости от особенностей здания выбирается рациональный вариант прокладки магистральных подающих и обратных трубопроводов. При наличии в здании подвального помещения магистральные трубопроводы воды располагаются по периметру подвального помещения. Если подвала в здании нет, то магистральные подающие трубопроводы располагаются на чердаке, а при его отсутствии - под потолком верхних этажей.

По принятому решению расположения магистральных трубопроводов составляется аксонометрическая схема подведения трубопроводов к отопительным приборам по помещениям.

Требуемая мощность отопительных приборов в помещениях и количество циркулирующей через них горячей воды определяются для каждого помещения.

С учетом архитектурно-строительных особенностей здания выбирается схема прокладки подающих и обратных трубопроводов. Выбор рациональной схемы распределения горячей воды по отопительным приборам определяется необходимостью создания колец циркуляции горячей воды с близкими по величине гидравлическими потерями.

Движение воды по трубопроводам происходит от сечения с большим давлением воды к сечению с меньшим давлением воды. Давление воды при движении ее по трубопроводам снижается из-за сопротивления трению воды о стенки трубопроводов и потерь в местных сопротивлениях, что для напорного участка системы отопления вычисляется по формуле:

Коэффициент сопротивления трению λ зависит от режима течения, определяемого критерием Рейнольдса

и относительной шероховатостью труб k/d. Для труб отопления k = 0,2 мм, диаметры труб d и их длина l принимаются в м. Скорость воды w, м/с, вычисляется в сечении трубопровода, кинематическая вязкость воды υ, м²/с, снижается с повышением температуры проходящей по трубопроводу воды.

Для стальных трубопроводов в системах отопления можно принять λ = 0,02.

Сумма местных сопротивлений на расчетном участке сети системы отопления ∑ξ принимается по справочнику для каждого элемента сети на расчетном участке (например, поворот трубопровода на 90° дает ξ = 1).

ρ_w · w² /2 - динамическое давление воды на расчетном участке. Массовая плотность воды ρ_w принимается по величине ее температуры:

t_wг = 95 °С, ρ_w = 962 кг/м³; t_wr = 70 °С, ρ_w = 978 кг/м³; t_wr = 50 °С, ρ_w = 988 кг/м³; t_wr  = 4 °С, ρ_w = 1000 кг/м³.

Скорость воды в трубах зависит от площади внутреннего сечения труб ƒ_тр, м², и расхода воды G_w, кг/ч.

Площадь внутреннего сечения трубы с внутренним диаметром d_о, м, вычисляется по формуле:

Скорость воды при расходе G_w, кг/ч, вычисляется по формуле:

Выбор диаметров труб в системе отопления проводится по сортаменту выпускаемых промышленностью труб и максимальной скорости воды в трубах до 1,5 м/с. В табл. 1 приведены наиболее применяемые в системах отопления трубы и рекомендуемые предельные значения расхода по ним горячей воды.

Таблица 1. Сортамент труб для систем отопления и рекомендуемые предельные значения расхода по ним горячей воды при t_wг.ср = 70 °С

Часть трубопровода системы отопления, в пределах которого диаметр трубопровода и расход горячей воды сохраняются постоянными, называют участком и ему на аксонометрической схеме трубопроводов дается условное обозначение.

Гидравлическое сопротивление для каждого участка вычисляется по формуле (1).

При изображении аксонометрической схемы системы отопления, соединяя отдельные участки, создают кольца циркуляции. Перепад давлений, под воздействием которого происходит движение воды по кольцу циркуляции, определяется гидравлическими потерями и дополнительным гравитационным давлением, которое создается из-за изменения температуры проходящей по кольцу воды. Гравитационное циркуляционное давление под воздействием изменения массовой плотности воды с понижением ее температуры вычисляется по формуле:

где h_i - высота участка, на котором горячая вода от охлаждения увеличивает массовую плотность от ρ_wгi (начало участка) до p_wгi+1 по направлению циркуляции воды.

В двухтрубных системах отопления отопительные приборы присоединяются к подающему и обратному стоякам параллельно друг другу, как это показано на схеме рис. 2.

Рисунок 1. Однотрубная система отопления с верхней разводкой: 1 - пластинчатый теплообменник нагрева воды в контуре системы отопления; 2 - подающий и обратный трубопроводы подачи теплоты от центрального источника (ТЭЦ или котельной); 3 - насос циркуляции воды по системе отопления; 4 - вертикальный магистральный подающий трубопровод горячей воды (главный стояк); 5 - распределительные магистральные трубопроводы верхней разводки воды; 6 - отопительные приборы в помещениях; 7 - участки труб проточного вертикального стояка; 8 - участки труб вертикального стояка с замыкающими участками у отопительных приборов; 9 - участки труб вертикального стояка с замыкающими участками с наличием терморегуляторов у отопительных приборов; 10 - расширительный бак; 11 - воздухоотводчики; 12 - краны аварийного отключения стояков; а) - проходной стояк; б) - стояк с замыкающими участками у отопительных приборов и ручной регулировкой расхода горячей воды через отопительный прибор; в) - стояк с замыкающими участками у отопительных приборов с терморегуляторами

К каждому отопительному прибору горячая вода приходит и выходит с одинаковой температурой t_wг1 и t_wг2 и массовой плотностью ρ_wг1 и ρ_wг2.

Однако для каждого отопительного прибора по высоте вертикального стояка будет различная величина разности высот h₁ и h₂ (см. рис. 2) от середины отопительного прибора до середины высоты водонагревателя.

Для отопительного прибора верхнего этажа здания естественное гравитационное давление по формуле (5) будет:

Для нижнего этажа оно будет:

Для верхнего этажа величина h₁ больше и поэтому располагаемое гравитационное давление Н_е.ц1 будет больше. Наименьшее оно будет для отопительных приборов первого этажа. Эти различия в величинах, создаваемых по высоте стояка естественных гравитационных давлений должны учитываться при увязке гидравлических сопротивлений в кольцах циркуляции в двухтрубных системах отопления.  

В однотрубных системах отопления нагревательные приборы по горячей воде соединены последовательно. Поэтому в каждый последующий отопительный прибор горячая вода поступает с более низкой температурой и большей плотностью.

На схеме рис. 1 показаны два варианта присоединения отопительных приборов.

Рисунок 2. Двухтрубная система отопления с верхней разводкой: 1 - пластинчатый теплообменник нагрева воды в контуре системы отопления; 2 - подающий и обратный трубопроводы подачи теплоты от центрального источника (ТЭЦ или котельной); 3 - насос циркуляции воды по системе отопления; 4 - вертикальный магистральный подающий трубопровод горячей воды (главный стояк); 5 - распределительные магистральные трубопроводы верхней разводки воды; 6 - отопительные приборы в помещениях; 7 - вентили ручного регулирования расхода горячей воды через отопительный прибор; 8 - терморегуляторы; 9 - водяной фильтр; 10 - герметичный расширительный сосуд с гибкой внутренней перегородкой (мембраной); 11 - воздухоотводчик; 12 - запорные краны аварийного отключения стояков; а - вертикальный стояк с отопительными приборами, имеющими ручные вентили регулирования расхода горячей воды через отопительный прибор; б - стояк с отопительными приборами, имеющими автоматические терморегуляторы

На схеме, а показан вариант последовательного прохождения горячей воды через все отопительные приборы на стояке. Между соседними по высоте отопительными приборами на стояке естественное гравитационное давление будет:

Пониженная температура воды t_wг.пр2 и повышенная ее плотность ρ_wг.пр2 отвечают условиям поступления горячей воды после теплоотдачи части теплоты в верхнем отопительном приборе и соединительном трубопроводе между соседними по высоте h_1-2 отопительными приборами (см. схему на рис. 2, а). Общее гравитационное давление в стояке, а будет определяться разностью высот расположения отопительных приборов по высоте стояка h_ст и общим падением температуры горячей воды в стояке:

В однотрубной системе с замыкающими участками (рис. 1, б, в) перепад гравитационного давления между соседними по высоте отопительными приборами определяется по температуре смеси t_wг.см горячей воды, поступающей в нижестоящий отопительный прибор:

Перепады температуры воды между отопительными приборами зависят от доли отдачи теплоты q_т.от.i отопительным прибором на каждом этаже. Общая теплоотдача по высоте стояка равна Q_т.от.ст при расчетном перепаде температур (t_wг1 – t_wг2).

По значениям расчетной теплоотдачи на каждом этаже q_т.от.i вычисляется доля каждого отопительного прибора по формуле:

Сумма всех долей теплоотдачи по этажам q_т.от.i равна единице. Поэтому перепады для каждого отопительного прибора на этаже будут отвечать доле теплоотдачи на этом этаже. Для отопительного прибора на i этаже температурный перепад составит:

Температура смеси горячей воды, поступающей в нижерасположенные по стояку отопительные приборы, вычисляется по формуле:

где ∑q_т.от - сумма долей теплоотдачи всех выше расположенных по стояку отопительных приборов. Зная температуру смеси горячей воды, поступающей в отопительный прибор, можем вычислить естественное гравитационное давление.

ПРИМЕР 1. Исходные данные: В помещении верхнего этажа многоэтажного дома доля теплоотдачи отопительного прибора в стояке однотрубной системы отопления составляет 0,15.

Требуется: Определить гравитационное давление между отопительными приборами соседних этажей при разности высот их расположения h₁ = 3,3 м.

Решение: 1. По формуле (13) вычисляем температуру смеси горячей воды, поступающей в нижерасположенный отопительный прибор:

2. Массовая плотность горячей воды при t_w.см = 91,25 °С составляет ρ_w.см = 964 кг/м³.

3. По формуле (10) вычислим гравитационное давление между соседними по высоте стояка отопительными приборами:

Общее гравитационное давление по стояку системы отопления будет расходоваться на частичное преодоление гидравлических сопротивлений в стояке.

На рис. 3 представлены две схемы гидравлической увязки параллельных колец циркуляции системы отопления.

В тупиковой схеме циркуляции (рис. 3, а) гидравлические потери на трение и местные сопротивления вычисляются по формуле (1). На схеме рис. 3 для упрощения отсутствуют отопительные приборы и запорные краны на вертикальных стояках 5. Используем схемы на рис. 3 для показа принципа увязки потерь давления с учетом дополнительных гравитационных давлений водяного потока по кольцам циркуляции воды в системе отопления.

Рисунок 3. Схемы гидравлической увязки параллельных циркуляционных колец системы отопления: а - тупиковая схема циркуляции; б - схема с попутным движением воды в подающем и обратном магистральных трубопроводах; 1 - водо-водяной пластинчатый теплообменник; 2 - подающий вертикальный магистральный трубопровод; 3 - воздухоотводчик; 4 - подающий горизонтальный магистральный трубопровод; 5 - вертикальные стояки подачи воды к отопительным приборам; 6 - обратный магистральный трубопровод; 7 - расширительный герметичный бак; 8 - циркуляционный насос

Для тупиковой схемы по рис. 3, а наименьшее кольцо циркуляции включает участки сети 1-2-в-д-1, а наиболее протяженное кольцо включает участки сети 1-2-г-е-1. Если принять наличие теплоизоляции и пренебречь охлаждением воды по длине подающего 4 и обратного б магистральных изолированных трубопроводов, то при расчетной теплоотдаче по стоякам I-IV присоединенных к ним отопительных приборов, дополнительные гравитационные давления в стояках, обусловленные охлаждением воды, будут одинаковыми. Поэтому равенство гидравлических потерь в кольцах циркуляции системы отопления определяется равенством результатов расчетов по формуле (1) для каждого кольца.

Для схемы с попутным движением воды по магистральным трубопроводам (рис. 3, б) длины колец циркуляции 1-2-в-д-е-1 и 1-2-г-е-1 могут быть близкими по величинам длин труб. Это облегчает увязку равенства гидравлических колец циркуляции в системе отопления.

Если магистральные трубопроводы не изолированы, как это делается при их прокладке под потолком верхнего этажа и в подвальном помещении, то от остывания воды в магистральных трубопроводах возникает дополнительное гравитационное давление, которое вычитается из общих гидравлических сопротивлений по кольцам циркуляции, вычисленное по формуле (1).

обсудить на форуме

объявления: стройка и ремонт

Поделитесь ссылкой в социальных сетях