Гидравлический расчет трубопроводов водяного отопления.

Гидравлический расчет систем водяного и парового отопления выполняется с целью определения экономичных диаметров трубопроводов. При этом должно быть обеспечено перемещение расчетного количества теплоносителя в единицу времени по всем циркуляционным кольцам и ветвям отопительной системы.

Порядок гидравлического расчета трубопроводов системы водяного отопления по удельной линейной потери давления:

1. Размещаются на поэтажных планах здания отопительные приборы, подающие и обратные стояки. Выбирается рациональный вариант прокладки магистральных подающих и обратных трубопроводов. Выполняют аксонометрическую (расчетную) схему систем отопления со всей запорно-регулирующей и воздухоудаляющей арматурой. На схеме указывают тепловую мощность каждого отопительного прибора.

На рисунке 2.2. приведен вариант расчетной схемы отопления с горизонтальными стояками одноэтажного здания.

2. Выбирают главное циркуляционное кольцо. В двухтрубных системах за главное принимается кольцо, проходящее через нижний прибор дальнего от теплового узла (узла ввода) стояка, при горизонтальном расположении стояков – кольцо, проходящее через дальний отопительный прибор. В тупиковых схемах однотрубных систем за главное принимают кольцо, проходящее через дальний стояк.

На приведенной схеме (рис. 2.2) главное циркуляционное кольцо составляют участки аб+бв.

3. Выявляют и нумеруют расчетные участки – участки труб с неизменным расходом теплоносителя, а также указывают тепловую нагрузку и длину каждого участка. Сумма длин всех расчетных участков составляет величину расчетного циркуляционного кольца. На полке- выноске указывают номера участков, в числителе- тепловой поток, проводимый по этому участку, в знаменателе- длину участку.

4. Определяют расчетное циркуляционное давление главного кольца. В системах отопления с принудительной циркуляцией теплоносителя расчетное циркуляционное давление

 

Р=Р_н+Р_е (2.24)

 

где Р_н - давление, создаваемое насосом, Па; Р_е - естественное давление от охлаждения воды в нагревательных приборах и трубопроводах, Па.

Для производственных и малоэтажных жилых и общественных зданий с принудительной циркуляцией теплоносителя естественным давлением от охлаждения воды в приборах и трубопроводах можно пренебречь, так как оно значительно меньше давления, создаваемого насосом [1].

Тогда расчетное циркуляционное давление Р приравнивается давлению насоса Р_н, т.е. Р=Р_н. Расчетное циркуляционное давление рекомендуется определять, исходя из средней потери давления, равной 100 Па на каждый метр наиболее протяженного расчетного кольца [2].

Тогда Р=100∙∑l, где ∑l – сумма длин всех участков главного циркуляционного кольца.

5. Определяют средние значения удельного падения давления на трение в трубопроводах рассчитываемого кольца

 

(2.43)

где 0,65 – коэффициент, учитывающий долю потери давления на трение от общей потери в трубопроводе; ∑l – общая длина всех участков кольца, м.

6. Определяют расходы теплоносителя на каждом расчетном участке G_уч, кг/ч

 

(2.42)

 

где - тепловая нагрузка участка (тепловая мощность всех отопительных приборов, к которым поступает теплоноситель по этому участку), Вт; с - теплоемкость воды кДж/(кг·^ºС); t₁,t₂ – температура теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах, ^оС; β₁,β₂ – то же, что и в формуле 2.33; 3,6 - коэффициент перевода Вт в кДж/кг.

7. По полученным значениям , кг/ч и R_ср, Па/м с помощью расчетных таблиц (например, приложение 6 [8] и 10[4]) или специальной номограммы (рис. 2.3) подбирают оптимальные диаметры труб расчетного кольца.

По этой же номограмме (или таблицам) определяют скорость движения теплоносителя м/с и фактические удельные потери давления на трение R.

Например, если расход теплоносителя по расчетному участку составляет 400 кг/ч, то при R _ср=65 Па/м условий диаметр трубопровода может быть d= 20 или 25 мм. Если выбрать d= 20 мм, фактически удельные потери давления на участке составляет R=90 Па/м, скорость движения теплоносителя v= -0,32 м/с.

Все данные, полученные при расчете теплопровода, заносят в специальную таблицу (см. табл. 2.11).

 

Таблица 2.11

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 ,мс	Удельная потеря давления R,Па/м	потеря давления на трение, Rtl , Па	Сумма коэффициентов местных сопротивлений	Потеря давления в местных сопротивлениях Z, Па	Суммарная потеря давления Rtl+Z

 

8. Определяют потери давления z, Па, на преодоление местных сопротивлений на каждом расчетном участке:

 

(2.43)

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

Ориентировочные значения коэффициентов местных сопротивлений системы отопления приведены в таблице 2.12. При расчете отдельных участков теплопровода местное сопротивление тройников и крестовин относят лишь к расчетному участку с наименьшим расходом теплоносителя; местные сопротивления отопительных приборов, котлов и подогревателей учитывают поровну в каждом примыкающем к ним теплопроводе.

После этого находят общие потери давления Rl + Z на каждом участке и суммарную потерю давления в рассчитываемом кольце. .

Диаметры трубопроводов считаются подобранными правильно, если имеется некоторый (5-10%) запас давления в кольце на неучтенные местные сопротивления и возможные неточности в монтаже системы отопления, т.е должно быть выполнено условие

 

P

 

Если это условие не выполняется, то следует произвести перерасчет (изменить диаметры труб) некоторых участков циркуляционного кольца.

После расчета главного циркуляционного кольца выполняют гидравлический расчет остальных колец. Из них некоторые кольца могут иметь общие расчетные участки с главным циркуляционным кольцом.

Так, например, кольцо а-б-г (рис.2.2) имеет общие расчетные участки №№1…5, 10…13 с главным циркуляционным кольцом, а кольцо а-д не имеет общих участков с ним.

Расчетное (располагаемое) циркуляционное давление кольца а-д равно расчетному давлению главного циркуляционного кольца. Исходя из этого средняя удельная потеря давления на трение в трубопроводах этого кольца по формуле 2.43 составляет

 

 

где Р – располагаемое давление, Па ; ∑l_а-д – длина всех расчетных участков кольца а-д.

В системе отопления, приведенной на рис.2.2. Р для кольца а-д равно расчетному циркуляционному давлению главного кольца, м.

Расчетное циркуляционное давление ветви б-г кольца а-б-г, имеющее общие участки с главным циркуляционным кольцом, определяется как сумма потерь давления участков главного циркуляционного кольца, не вошедших в кольцо а-б-г, то есть участков №6…9

 

Р_б-г=∑(Rl+Z)_6…9

 

где ∑(Rl+ Z)_6…9 – суммарные потери давления на участках № 6…9 главного циркуляционного кольца.

Средняя удельная потеря давления ветви б-г составит

Таблица 2.12

Значение коэффициента местного сопротивления конструктивных элементов систем водяного отопления ( по данным ВНИИГС)

 

Элемент системы	При диаметре условного прохода Dy,мм
Кран трехходовой КРТ		1,5		-	-	-	-
Кран трехходовой КРТ			4,5	-	-	-	-
Кран трехходовой поворотный КРП		3,5		-	-	-	-
Кран двойной регулировки КРД				-	-	-	-
Кран проходной		3,2			-	-	-
Вентиль прямой				2,5	2,5		-
Задвижка параллельная	-	-	-	-	0,5	0,5	0,5
Отвод под углом 900	0,9	0,8	0,6	0,5	0,3	0,3	0,3
Утка гнутая	0,9	0,8	0,7	0,6	0,6	0,6	0,6
Скобка гнутая	2,5		1,2	0,6	0,4	0,4	0,4
Воздухосборник	1,5	Независимо от диаметра труб (относятся к большей скорости)
Внезапное расширение
Внезапное сужение	0,5
Грязевик
Радиатор чугунный секционный		1,3	1,4
Радиатор стальной		2,0	2,0
Тройник:
на проходе
на отверстие	1,5	1,5	1,5	1,5	1,5	1,5
на противотоке
Крестовины:
на проходе
на ответвлении
Компенсатор
П-образный

 

При выполнении расчётов возможны большие расхождения между R_ср и фактическим R, особенно на расчётных участках с малыми расходами. Так как минимальный диаметр трубопроводов отопления составляет 15 мм, то заниженные потери на этих участках должны быть компенсированы завышением потерь давления на других участках или установкой кранов двойной регулировки на последнем отопительном приборе рассчитываемого кольца.Потери давления в разных циркуляционных кольцах не должны различаться более чем на 15%. Неувязка потерь давления, превышающая 15%, может привести к разрегулировке системы с отклонением от расчётных расходов, температуры воды и теплоотдачи отопительных приборов. Рис. 2.2. Расчетная схема двухтрубной отопительной системы одноэтажного здания с горизонтальным расположением стояков

Рис. 2.3. Номограмма для расчета трубопроводов отопления