ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАСЧЕТА ТЕПЛОПРОВОДОВ СИСТЕМ ВОДЯНОГО ОТОПЛЕНИЯ
Трубопроводы в системе отопления выполняют важную функцию распределения теплоносителя по отдельным нагревательным приборам.
В водяных системах количество принесенного теплоносителем тепла зависит от его расхода и перепада температуры при охлаждении воды в приборе. Обычно при расчете задают общий для системы перепад температуры теплоносителя и стремятся к тому, чтобы в двухтрубных системах этот перепад был выдержан для всех приборов и для системы в целом, в однотрубных системах — для всех стояков. При известном перепаде температуры теплоносителя по трубопроводам системы к каждому нагревательному прибору должен быть подведен определенный расчетом расход воды.
В инженерной практике эта задача решается методом подбора.
Провести гидравлический расчет сети трубопроводов системы отопления (с учетом располагаемых циркуляционных давлений) — это значит так подобрать диаметры отдельных участков, чтобы по ним проходили расчетные расходы теплоносителя. Расчет ведется подбором с выбором диаметров по имеющемуся сортаменту труб, поэтому он всегда связан с некоторой погрешностью. Для различных систем и отдельных их элементов допускаются определенные невязки, которые должны быть выдержаны в расчете.
Потери давления на участках трубопроводов. Движение воды в трубопроводах происходит от сечений с большим давлением к сечениям с меньшим давлением. Давление теряется на преодоление сопротивления трения по длине труб и местных сопротивлений. В системах водяного отопления доля потерь на трение и в местных сопротивлениях примерно одного порядка, поэтому их необходимо одинаково полно учитывать в гидравлическом расчете. В системе отопления вода циркулирует по замкнутому контуру. Согласно уравнению Бернулли, разность давлений Δр на протяжении произвольного контура трубопровода системы должна быть равна сумме гидравлических потерь на трение Δртр и в местных сопротивлениях Δрм.с.:
Учитывая сложность расчета потерь давления на трение по формулам, обычно пользуются таблицами или номограммами. Потери давления на трение Δртр определяют по выражению
где R — удельные потери давления на трение (отнесенные к 1 м длины трубы).
Значение R очевидно из формулы (5.19). Таблица для определения значения удельных потерь давления на трение R, Па/м, в зависимости от скорости υ, м/с, или расхода G, кг/ч, воды, протекающей по трубам различного диаметра d, мм, приведена в прил. 7.
Потери давления в местных сопротивлениях Δрм.с обычно обозначают буквой Z. Величину Z можно определить по формуле
Z = Σξ 
(5.28)
где ξ—коэффициент потерь давления в местном сопротивлении, или сокращенно коэффициент местного сопротивления.
Коэффициент ξ характеризует гидравлические особенности различных местных сопротивлений
В приложении 8 даны значения коэффициентов местных сопротивлений для различных элементов систем отопления. Численные значения коэффициентов ξ особенно для тройников и крестовин, зависят от абсолютных и относительных значений расходов проходящих потоков и диаметров труб, поэтому приведенные в приложении данные являются приближенными. Их достаточно надежно можно использовать для расчета двухтрубных систем и магистральных участков однотрубных систем.
Часть трубопровода системы, в пределах которой расход теплоносителя, а также диаметр трубы остаются неизменными, называют участком. На участке может быть несколько местных сопротивлений. Общие гидравлические потери давления Δрi, в пределах расчетного участка i равны:
Циркулирующие в системе отопления потоки последовательно проходят ряд участков. Потери давления на последовательно соединенных участках Δр равны сумме потерь давления на отдельных участках:
Δр = 
(5.30)
Трубопроводы системы отопления образуют ряд связанных между собой параллельных колец; в отдельных точках системы потоки расходятся, а в других сходятся, образуя как бы полукольца одного замкнутого контура. Перепады давлений, под влиянием которых происходит движение воды по каждому из полуколец между общими точками деления и слияния, будут одинаковыми. Так будет в изотермических условиях.
Можно сформулировать общее правило: потери давления на полукольцах между общими точками с учетом дополнительных гравитационных давлений равны между собой.
На рис. 5.6 приведены две схемы системы отопления: тупиковая и с попутным движением воды в подающей и обратной магистралях. Схемы начерчены упрощенно, на них изображены только магистрали и стояки без нагревательных приборов, арматуры и пр. На примере этих схем и на основе сформулированного общего правила удобно записать уравнения увязки отдельных полуколец трубопроводов в системе.
В тупиковой схеме в циркуляционном кольце стояков I и V потери на трение и в местных сопротивлениях на участке аг должны равняться сумме потерь на участках аб, бв и вг. В схеме с попутным движением в циркуляционном кольце стояков I и V сумма потерь на трение и в местных сопротивлениях на участках аг и гв должна равняться сумме потерь на участках аб и бв. Однако, поскольку в обеих схемах вода по пути от котла к стояку V охлаждается больше, чем по пути от котла к стояку I, и, следовательно, соответствующие гравитационные давления Δре для стояков I и V различны, расходуемое давление на рассматриваемых полукольцах трубопровода нужно записать в следующем виде:
для тупиковой схемы
для схемы с попутным движением
Гравитационное давление на каждом из параллельных ответвлений будет определяться по общей формуле (5.5). В данном случае необходимо, чтобы для каждого рассмотренного контура трубопроводов плоскость отсчета высот положения отдельных точек нагрева или охлаждения на полукольцах была общей. Обычно удобно производить отсчет от плоскости, проходящей через точки деления или слияния потоков циркуляционных контуров.
Методика гидравлического расчета трубопроводов систем водяного отопления.
Методика гидравлического расчета систем отопления основана на закономерностях циркуляции теплоносителя в системе трубопроводов и определяет последовательность проведения этого расчета. Обычно задача состоит в определении диаметров на отдельных участках при заданных расходах и давлениях. Расчет начинают с определения располагаемого циркуляционного давления. Величину Δрр.ц определяют по формуле (5.15) для систем с естественной циркуляцией или по формуле (5.16) для насосных систем и систем, присоединенных к тепловой сети.
При расчете за главное (наиболее невыгодно рассоложенное в гидравлическом отношении) циркуляционное кольцо принимают то, для которого располагаемое циркуляционное давление на 1 м длины трубопровода оказывается наименьшим.
В тупиковых схемах двухтрубных систем (см.рис. 5.6, а) главным обычно оказывается циркуляционное кольцо, проходящее через нижний прибор дальнего стояка.
В тупиковых схемах однотрубных систем за главное принимается кольцо, проходящее через дальний стояк.
В схемах с попутным движением (см.рис. 5.6, б) протяженность колец через приборы нижнего этажа для всех стояков приблизительно одинаковая. В этом случае перепад давлений в системе заранее не ограничивают, а подбирают диаметры трубопроводов из условия предельно-допустимых скоростей движения теплоносителя и возможной увязки гидравлических потерь давления по отдельным параллельным полукольцам систем
В этом случае удобно в качестве главного принимать кольцо, проходящее через нижний прибор (в двухтрубной системе) одного из средних наиболее нагруженных стояков. Именно этот стояк в схемах с попутным движением (в том числе и однотрубных систем) оказывается наиболее невыгодным в гидравлическом отношении.
Задача гидравлического расчета главного циркуляционного кольца состоит в подборе диаметров его отдельных участков таким образом, чтобы суммарные потери давления по кольцу Σ(Rl+Z)г.ц.в были на 5—10% меньше величины расчетного давления Δрр.ц, т.е.
Некоторый запас давления необходим на случай неучтенных в расчете гидравлических сопротивлений.
Рассчитанное таким образом главное циркуляционное кольцо принимается в дальнейшем расчете в качестве опорного для гидравлической увязки всех остальных колец системы. Все циркуляционные кольца системы как бы привязывают в гидравлическом отношении к главному кольцу. Для каждого циркуляционного кольца есть точки, общие с главным кольцом, где происходит деление или слияние потоков. Одно из полуколец между этими общими точками всегда составлено уже рассчитанными участками главного кольца. Задача состоит в подборе диаметров участков второго полукольца таким образом, чтобы гидравлические потери в них были (с учетом дополнительных гравитационных давлений) равны уже подсчитанным потерям давления между общими точками на участках главного циркуляционного кольца [см. формулу (5.31) или (5.32)].
При этом чем ближе значения тех и других потерь, тем лучше. Точно увязать потери давления в полукольцах не всегда удается, однако необходимо выдержать определенную величину невязки между ними. В системах водяного отопления СНиП допускают невязку до ± 15%.
Невязка между потерями давления в полукольцах, проходящих через приборы разных этажей стояков двухтрубных систем, нормами не ограничивается, так как она должна быть устранена при монтажной регулировке системы с помощью кранов двойной регулировки.
Гидравлический расчет трубопроводов системы отопления
При проектировании следует расход теплоты системы водяного отопления и расход теплоносителя определять по обязательному приложению 11 (ГОСТ 21.602-79* СПДС. «Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха. Рабочие чертежи.», с. 138). Необходимо также руководствоваться рекомендациями, приведенными в СНиП 2-04.05-86 ( с.17. 25, п. 3.25… 3.63).
Разность давления воды в подающем и обратном трубопроводах для циркуляции воды в системе отопления следует определять с учетом давления, возникающего вследствие разности температур воды. Неучтенные потеря циркуляционного давления в системе отопления следует принимать равными 10% от максимальных потерь давления;
— однотрубных системах водяного отопления потери давления в стояках должны составлять не менее 70% общих потерь давления в циркуляционных кольцах (без учета потерь давления в общих участка;
— невязка потерь давления в циркуляционных кольцах (без учета потерь давления в общих участках), недолжна превышать 5% при попутной и 15% при тупиковой разводке трубопроводов;
— трубопроводы систем отопления следует прокладывать открыто; скрытая прокладка должна быть обоснована;
— в системах отопления следует предусматривать устройства для их опорожнения; в зданиях с числом этажей 4 и более на каждом стояке следует предусматривать краны со штуцерами для присоединения гибких шлангов;
— уклоны трубопроводов воды, пара и конденсата следует принимать не менее 0,002; допускается прокладывать трубопроводы без уклона при скорости движения воды вних 0,25 м/с и более;
— отопительные приборы в лестничных клетках следует размещать на первом этаже и присоединять к отдельным ветвям или стоякам систем отопления по однотрубной проточной, схеме;
— запорную арматуру допускается не устанавливать на стояках c числом, этажей три и менее.
До гидравлического расчета необходимо вычертить аксонометрическую систему отопления с указанием уклонов, запорной арматуры, воздхоудаления в масштабе 1:100.
На аксонометрической расчетной схеме необходимо указать тепловые нагрузки (то есть количество теплоты, отдаваемое каждым нагревательным прибором) и определить самую нагруженную ветвь; далее следует выбрать расчетное циркуляционное кольцо через самый удаленный от ввода нагревательный прибор наиболее нагруженной ветви.
Затем производится гидравлический расчет одного кольца системы водяного отопления или одной ветви парового отопления (в зависимости от принятой система отопления).
Примера расчетов трубопроводов системы водяного и парового отопления приведены в Справочнике по теплоснабжению и вентиляции. Часть I. Под редакцией Шохина Р.В.- Киев: Будивельник, 1976., с. 92…95, 105…109, 146…190, § 39-48.
Расчет двухтрубных систем отопления следует производить по методу удельных потерь давления, однотрубных – по методу характеристик сопротивления. Особенности этих методов расчета указаны в Богословский ВА и др. Отопление и вентиляция. – М.: Стройиздат, 1980., с. 148-164.
Результаты расчета следует записать в таблицу 4, форма которой указана ниже.
Рекомендуется следующий порядок заполнения таблицы.
В первой графе записывают номера расчетных участков; во второй – тепловую нагрузку в Вт на соответствующем расчетном участке; в третьей – количество воды в кг/ч, проходящей по участку, или (что то же самое) – тепловую нагрузку в Вт при перепаде температур GУЧ; в четвертой – длину соответствующего расчетного участка в м; в пятой – диаметр трубопровода расчетного участка в мм; в шестой – скорости движения теплоносителя на расчетном участке в м/с; в седьмой — потерю давления на трение на 1 м длины расчетного участка; в восьмой – потерю давления на трение на всем расчетном участке, что является результатом умножения потери давления на одном метре расчетного участка на длину расчетного участка; в девятой — åx — сумму единиц местных сопротивлений на каждом расчетном участке; в десятой – потерю давления на преодоление местных сопротивлений в Па на каждом расчетном участке.
Вычерчиваем принципиальную аксонометрическую схему системы отопления. На схеме указываем тепловые нагрузки на приборах, на стояках и на ответвлениях к стоякам.
За главное циркуляционное кольцо системы при попутном движении воды в подающей и обратной магистралях принимается кольцо через нижний прибор среднего наиболее нагруженного стояка.
Разбиваем главное циркуляционное кольцо на участки. Нагрузку записываем в числитель дроби около номера каждого участка, в знаменателе проставляем длину участка.
Ø Расход воды определяем по тепловой нагрузке и разности температур теплоносителя в системе:
где Q – тепловая нагрузка участка, Вт.
По полученным значениям расхода по приложению определяем ориентировочные диаметры трубопроводов на участках.
Ø Определяем скорости движения теплоносителя на участках по формуле:
где ρ – плотность воды при данной температуре, кг/м 3 , (см. прил.).
Ø Определяем режим течения теплоносителя и коэффициент гидравлического трения λ:
Определяем число Рейнольца по формуле:
где ν – коэффициент кинематической вязкости жидкости при данной температуре, (см. прил.).
Если 2300 10000, то режим течения турбулентный и λ определяется как:
Ø Определяем потери давления на трение:
где l – длина участка, м.
Ø Определяем потери давления на местные сопротивления:
где Σx — сумма коэффициентов местных сопротивлений на данном участке трубопроводов, (см. прил.).
Ø Определяем суммарные потери давления на участке и главном циркуляционном кольце:
Система отопления рассчитывается на давление DP = 0,2 атм = 20 КПа. Разница должна составлять не более 5%.
Если при предварительном подборе диаметров это условие не выполняется, необходимо на некоторых участках изменить диаметры. После приступаем к расчету и увязке полуколец через остальные стояки. Невязка не должна превышать 15%.
По этому значению подбираем диаметры участков, добиваясь получения как можно меньшей невязки в потерях давления.
Если и это не помогло , то необходима установка шайбы.
Ø Расчет шайбы производится по формуле:
где Gст – расход теплоносителя на стояке, кг/ч, где будет установлена шайба,
DPш – перепад давления, Па, необходимый для выполнения условия в предыдущем пункте.
Поскольку расчетное число диаметра проходного сечения шайбы получается не целы округляем его до десятых, так как с такой точностью позволяет сделать данное отверстие обычный токарный станок.
Таблица 4
| Этажи | Номер участка | Тепловая нагрузка | Длина участка (м) | Расход теплоносителя | Диаметр труб (мм) | Диаметр труб (м) | Температура | Плотность воды | Скорость движения теплоносителя | Коэф-т Кинематической вязкости воды | Рейнольц | Коэф-т гидравл. трения λ | Переходный | Турбулентный | Удельные потери давления, R | Потери давления на трение, Rl | Сумма коэф-ов местных сопротивлений | Потери давления в местных сопротивлениях | Суммарные потери давления на участке | Расчет шайбы |
Форма таблицы расчета паропроводов низкого давления почти ничем не отличается от формы, таблицы трубопроводов систему водяного отопления. Различие заключается в отсутствии в нем графа 3, в которой при расчете трубопроводов системы водяного отопления проставляется тепловая нагрузка на расчетном участке при передаче температур в один градус.
При расчете однотрубных систем желательно пользоваться методом характеристик сопротивления. Данный метод подробно изложен на стр. 95 … 101 Богословский ВА и др. Отопление и вентиляция. – М.: Стройиздат, 1980. Суть его заключается в том, что общая потеря на расчетном участке при неизменном расходе и диаметре трубы может быть представлена в виде
— характеристика сопротивления трубопроводов, равная потере давления при расходе теплоносителя
— расход воды в ветви или стояке, кг/ч.
Значение характеристики сопротивления S может быть отнесено к отдельному участку или к части сети из нескольких участков, соединенных между собой последовательно или параллельно.
Метод расчета водяного отопления при помощи характеристик сопротивления труб весьма удобен, так как требует минимума вычислительных операций.
Примеры расчета однотрубных систем методом характеристик можно рассмотреть в Богословский ВА и др. Отопление и вентиляция. – М.: Стройиздат, 1980, с. 146 … 163.
В технико-экономическом расчете необходимо привести сравнение вариантов установки либо нагревательных приборов, либо присоединения системы к тепловым сетям, либо дать конструктивный вариант выбора системы отопления (по усмотрению руководителя).
