ЖКХ в России

Гидравлические потери и коэффициент затекания воды в отопительный прибор

Отношение воды к схемам подключения радиаторов отопления.

Вода – не дура, она, как и мы с вами, хорошо знает законы гидравлики и гидродинамики. Даже больше – в отличие от нас, людей, вода эти законы не только знает, но и выполняет! Ей больше некуда деваться, как только протекать (или – не протекать) по тем изгибам и сужениям труб, которые мы придумали и смонтировали.

В этой статье мы говорим только об однотрубной системе отопления. Двухтрубная система в подробных разъяснениях не нуждается, поэтому она и применяется, пожалуй, во всем мире, кроме России.

Если мы хотим, чтобы в наших квартирах было тепло, тем, кто забыл, придется вспомнить кратко то, чему нас пытались научить еще в школе (в техникуме, в институте) любимые учители физики (гидравлики)*.

Некоторые основные понятия в гидравлике:

• гидравлические потери;
• коэффициент затекания воды в отопительный прибор.

Гидравлические потери

Гидравлические потери — вид потерь энергии в трубопроводах и другом гидрооборудовании, обусловленный работой сил вязкого трения между слоями жидкости, а также силами взаимодействия между жидкостью и контактирующими с ней твёрдыми телами.

Гидравлические потери принято разделять на три вида:

• потери на трение воды о внутреннюю поверхность трубы по ее длине, которые определяются по формуле Дарси-Вейсбаха (наименование формул я привожу только для того, чтобы Вы убедились, что вода – тоже умная и течет по нашим трубам и радиаторам только по этим формулам!);
• потери в оборудовании (отопительном радиаторе). Эти потери называются «характеристика сопротивления радиатора», определяются как потеря давления в нем при расходе теплоносителя 360 кг/час, измеряются в Па/(кг/с) 2 и обозначаются S_{н у}.
  Характеристики сопротивления некоторых типов радиаторов см. в конце статьи в таблице 2.
• местные гидравлические потери ζ_ну, связанные с изменением сечения или конфигурации участка системы отопления.

Примеры местных потерь – входное и выходное отверстие радиатора, внезапное или постепенное расширение или сужение трубы, повороты трубы, запорный или регулировочный вентиль и др. Коэффициенты местных потерь (коэффициенты Дарси) вычисляются по эмпирическим формулам.

Коэффициенты местных потерь (местного сопротивления) радиаторов и ряда деталей трубопроводов отопления см. в конце статьи в таблицах 2 и 3.

Вы хотите, чтобы больше горячей воды затекало в ваши радиаторы, и меньше — протекало мимо, по стояку отопления? Тогда продолжайте внимательно читать дальше.

Коэффициент затекания воды в отопительный прибор

Коэффициент затекания воды в отопительный прибор – это доля воды, поступающей в отопительный прибор (далее наз. – радиатор), от всей массы воды, протекающей по стояку до места ответвления к радиатору.

Чем меньше коэффициент затекания воды в отопительный прибор (далее наз. – коэффициент затекания), тем меньшая часть воды из стояка поступает в радиатор.

Значения коэффициентов затекания зависят:

от различных сочетаний диаметров труб стояков (d_ст), байпасов (смещённых замыкающих участков) (d_зу), подводящих труб от стояков к радиаторам (d_п).

Наиболее распространенные сочетания диаметров d_ст х d_зу х d_п (мм):

[15х15х15], [20х15х15] и [20х15х20] (см. таблицу 1);

от геометрической конфигурации узла подводки к радиатору (см. схемы 1 – 10). В зависимости от схемы подключения радиатора к стояку коэффициент затекания

изменяется от 0,15 (схемы 3 и 6) до 1,0 (схемы 2 и 5);

от длины подводящих труб от стояков к радиаторам (d_п);

от характеристики сопротивления радиатора S_{н у};

от местных потерь во входном и выходном отверстии (патрубке) радиатора,

Усреднённые значения коэффициентов затекания α_пр узлов однотрубных систем водяного отопления с чугунными радиаторами МС-110 при расходе теплоносителя по стояку более 100 кг/ч

Значения α_пр при сочетании диаметров труб

Экспериментальные исследования радиаторных узлов однотрубной системы отопления

Experimental Studies of Radiator Units in a Single-pipe Heating System

M. Timofeyev, Deputy Technical Director, Head of Test Laboratory at Danfoss; F. Shapovalov, Testing Engineer at Danfoss

Keywords: radiator unit, heating appliance, bypass, heat emission, radiator share

Studies were conducted to determine the impact of such factors as flow direction and flow rate of heat transfer media through a riser, temperature head, terminal section design, and throughput of control valves on heat emission of a radiator unit and radiator share of heat transfer media in a heating appliance of a single-pipe heating system.

Проведены исследования с целью определения влияния таких факторов, как направление движения и расхода теплоносителя через стояк, температурный напор, конструкция замыкающего участка, пропускная способность регулирующей арматуры на теплоотдачу радиаторного узла и коэффициент затекания теплоносителя в отопительный прибор в однотрубной системе отопления.

Экспериментальные исследования радиаторных узлов однотрубной системы отопления

М. Тимофеев, заместитель технического директора, начальник испытательной лаборатории «Данфосс»

Проведены исследования с целью определения влияния таких факторов, как направление движения и расхода теплоносителя через стояк, температурный напор, конструкция замыкающего участка, пропускная способность регулирующей арматуры на теплоотдачу радиаторного узла и коэффициент затекания теплоносителя в отопительный прибор в однотрубной системе отопления.

Исследования проведены на примере радиаторного узла, состоящего из отопительного прибора, смещенного замыкающего участка (байпаса) и регулирующей арматуры. Схема радиаторного узла с различными вариантами подачи теплоносителя представлена на рис. 1.

Рассматривались три варианта организации движения теплоносителя (радиаторные узлы с различными схемами движения теплоносителя), представленные на рис. 2. Замыкающие участки изготовлены из ВГП-труб. Горизонтальные элементы – DN20, вертикальные (байпас) – DN15.

• Вариант 1. Подача теплоносителя сверху.
• Вариант 2. Подача теплоносителя снизу.
• Вариант 3. Экспериментальный. С целью разделения потоков в горизонтальные трубы в местах приварки вертикального элемента вварены перегородки. Подача теплоносителя снизу.

Испытательный стенд

Испытательный стенд (рис. 3) состоял из отопительного прибора, замыкающих участков, показанных на рис. 2 (устанавливались поочередно), двух расходомеров и балансировочного клапана. Вместо терморегулятора устанавливалась сборка, состоящая из балансировочного клапана и расходомера 2, имеющая возможность настройки на пропускную способность Кv = 2,14 и 4,5 м 3 /ч при помощи изменения настройки балансировочного клапана. Таким образом имитировалась пропускная способность терморегулятора при 2К. В качестве отопительного прибора рассматривался семисекционный биметаллический радиатор с межосевым расстоянием 500 мм.

Стенд был помещен в испытательную камеру, отвечающую требованиям ГОСТ 53583, в которой поддерживалась температура воздуха 20 °С. Теплоотдача радиаторного узла определялась исходя из разности температур теплоносителя на входе (Твх) и выходе (Твых) из стенда и расходов, определяемых по показаниям расходомера 1 (Gст). Расход теплоносителя через прибор (Gпр) определялся по показаниям расходомера 2, коэффициент затекания теплоносителя в радиатор рассчитывался как отношение показаний расходомера 1 к показаниям расходомера 2. Теплоноситель – вода. Температура теплоносителя на входе и выходе из испытательного стенда (Т1 и Т2) определялась при помощи погружных термометров, температура воздуха (Твозд) в испытательной камере определялась в точке, расположенной на центральной оси камеры на высоте 0,75 м от пола.

Испытания проведены при диапазоне расходов теплоносителя на входе в стенд (Gст) 100-360 кг/час и температурных напоров 30, 50 и 0 С . Температурный напор рассчитывался по формуле ΔТ = (Т1 +Т2) / 2 – Твозд.

Результаты испытаний

Теплоотдача

Следует уточнить, что в данных экспериментах определена теплоотдача всего радиаторного узла, включающего помимо отопительного прибора элементы его обвязки: замыкающий участок, балансировочный клапан, расходомер, трубопроводы.

Результаты экспериментов по определению теплоотдачи радиаторного узла при пропускной способности терморегулятора 2,14 кг/ч в графическом виде представлены на рис. 4.

Наибольшая теплоотдача соответствует верхней подаче теплоносителя (вариант 1), наименьшие значения теплоотдачи имеют место при нижней подаче теплоносителя (вариант 2). Вариант 3 с нижней подачей теплоносителя и перегородками занимает среднее положение.

Теплоотдача при нижней подаче теплоносителя (вариант 2) при параметрах, принятых в ГОСТ 53583 для определения номинального теплового потока (расход 360 кг/ч, температурный напор 70 °С), на 26 % ниже, чем при варианте подачи теплоносителя сверху (вариант 1).

В варианте 3 (применение перегородок в замыкающем участке) теплоотдача на 14 % ниже, чем при верхней подаче теплоносителя, но тем не менее выше на 17 %, чем при варианте с нижней подачей теплоносителя, но без перегородок (вариант 2).

Коэффициент затекания

Результаты экспериментов по определению коэффициентов затекания теплоносителя в отопительный прибор в графическом виде представлены на рис. 5, 6, 7.

Коэффициент затекания зависит от расхода, температурного напора, направления движения теплоносителя по замыкающему участку и пропускной способности терморегулятора.

При верхней подаче теплоносителя в отопительный прибор (варианты 1 и 3) с увеличением расхода теплоносителя через стояк коэффициент затекания уменьшается, при нижней (вариант 2) – увеличивается. При расходах теплоносителя более 200 кг/ч коэффициенты затекания примерно равны для вариантов 1 и 2 с верхней и нижней подачей теплоносителя и не зависят от температурного напора.

При нижней подаче теплоносителя, но при установке перегородок для разделения потоков в замыкающем участке (вариант 3), коэффициент затекания при этих же расходах теплоносителя ниже примерно в два раза.

При малых расходах теплоносителя (менее 130 кг/ч) и подаче его снизу (вариант 2) наблюдается прекращение движения теплоносителя через прибор и его обратное движение (отрицательные коэффициенты затекания).

Пропускная способность терморегулятора (Кv) во всех исследованных вариантах оказывает влияние на коэффициент затекания. Так, при расходах теплоносителя более 250 кг/ч увеличение Кv примерно в два раза приводит к увеличению коэффициента затекания для вариантов 1 и 2 в 1,5 раза, для варианта 3 – в 1,3–1,4 раза.

Подводя итоги, можно отметить следующее.

• Теплоотдача радиаторного узла при верхней подаче теплоносителя по стояку существенно выше, чем при вариантах с нижней подачей.
• При малых расходах теплоносителя по стояку заметно влияние гравитационного движения теплоносителя по контуру «отопительный прибор – замыкающий участок». При этом при подаче теплоносителя в верхний патрубок отопительного прибора направление этого движения совпадает с направлением основного движения, при подаче в нижний – имеет противоположное направление. Это особенно заметно при высоких температурах теплоносителя. В случае подачи теплоносителя в нижний патрубок отопительного прибора при определенных сочетаниях расходов и температурных напоров отопительный прибор не участвует в отоплении помещения из-за отсутствия поступления теплоносителя в него.
• В качестве способа увеличения теплоотдачи при нижней подаче теплоносителя по стояку можно рекомендовать установку перегородок в замыкающем участке, позволяющих организовать подачу теплоносителя в верхний патрубок отопительного прибора. Изменяя геометрию замыкающего участка, можно повысить коэффициент затекания, что должно привести к увеличению теплоотдачи.
• Коэффициент затекания теплоносителя в отопительный прибор существенно зависит от пропускной способности терморегулирующей арматуры. Ее увеличение в два раза приводит к возрастанию коэффициента затекания до 1,5 раз.

Поделиться статьей в социальных сетях:

Однотрубные системы отопления коэффициент затекания

Коэффициент затекания в однотрубной системе отопления

Коэффициент затекания – это очень важный параметр как показатель качества работы однотрубной системы отопления! За счет этого параметра мы точно можем рассчитать более надежную однотрубную систему отопления!

— Как рассчитать Коэффициент затекания в радиатор в однотрубной системе? — Расчет значения коэффициента затекания? Чему он должен быть равен для радиатора? — Как влияет уменьшение и увеличение диаметра байпаса? — Расчет байпаса в системе отопления? — Как влияет теромостатический клапан на коэффициент затекания? — Как подобрать диаметры, клапаны и тройники, чтобы установить необходимый коэффициент затекания? — Что будет, если фактическое значение не совпадает с номинальным значением коэффициента затекания? — Как рассчитать коэффициент затекания через параметры тройников? Например, рассчитаем тройник ПП25х20х20.

Как рассчитать Коэффициент затекания в радиатор в однотрубной системе?

Gрад – расход радиатора, м 3 /час

Gобщ – общий расход(стояка), м 3 /час

Кзат — Коэффициент затекания:

Gобщ – общий расход, м 3 /час

Gрад – расход радиатора, м 3 /час

Gб – расход байпаса, м 3 /час

Sрад – гидравлическая характеристика ветки радиатора, Па/(л/ч) 2

Sб – гидравлическая характеристика ветки байпаса, Па/(л/ч) 2

Что такое Kv написано тут: Что такое Kvs?

0,1 это перевод (из литра в метр кубический) и (из паскалей в метры водяного столба).

Если известны пропускные способности веток(радиатора и байпаса), то можно найти коэффициент затекания (Кзат) в радиатор:

Как влияет уменьшение и увеличение диаметра байпаса?

Уменьшение диаметра байпаса увеличивает коэффициент затекания в радиатор.

Увеличение диаметра байпаса уменьшает коэффициент затекания в радиатор.

Если общий расход(стояка) равен 2 м 3 /час, а коэффициент затекания в радиатор равен 0,1 то расход в радиаторе будет равен

Расчет номинального коэффициента затекания?

То есть рассчитаем номинальное значение коэффициента затекания. Расчет фактического значения рассмотрим ниже.

Термин номинальный следует понимать, как рекомендуемое значение.

Например, необходимо подобрать диаметры и клапана с целью установления необходимого значения коэффициента затекания. И как узнать, чему должно быть равно это значение 0,1 или 0,2 или 0,3?

Значение номинального коэффициента затекания должно быть равно:

Например, имеем 2 радиатора разной мощности: 1 кВт и 3 кВт. Сумма мощности двух радиаторов 4 кВт.

То есть имеем однотрубную систему с определенным количеством радиаторов. Нужно поделить единицу на количество радиаторов для одной однотрубной системы. Или поделить рассчитать коэффициент затекания согласно мощности каждого радиатора. Подробнее о системах и схемах: Гидравлические смыслы цепей

Задача: Имеем 2 радиатора. Расход системы = 0,2 м3/час. Найти значение коэффициента затекания в радиатор.

Грубо говоря, нужно расход общей магистральной трубы поделить равномерно на все радиаторы. Если мощности радиаторов сильно отличаются, то рассчитать согласно мощности на каждый радиатор(расчет описан выше).

Как подобрать диаметры, клапаны и тройники, чтобы установить необходимые коэффициент затекания?

Чтобы найти фактический коэффициент затекания нужно решить обратную задачу гидравлики по расчету потерь напора в трубопроводе при движении теплоносителя. Как найти потерю напора в трубопроводе?

Автоматически решает обратную задачу программное обеспечение: http://gidroraschet.ru/glav/tovar/AutoSnab3D/

То есть необходимо найти расходы двух веток: Ветки радиатора и ветки байпаса.

Если известны расходы, то легко найти коэффициент затекания по формуле:

Расчет фактического коэффициента затекания

Рассмотрим задачу, как найти фактическое значение коэффициента затекания в однотрубной системе отопления.

Задача: Имеем однотрубную систему отопления с диаметрами, смотри рисунок:

Труба из полипропилена. Использованы тройники ПП25х20х20.

Коэффициент затекания будет зависеть от соотношения гидравлического сопротивления веток: Ветки радиатора и ветки байпаса.

Тройники тоже будут влиять на коэффициент затекания. И коэффициент затекания также будет зависеть от движения теплоносителя с поворотом. Например, смотри схему:

Уменьшение диаметра байпаса будет приводить к увеличению коэффициента затекания.

Найти фактические расходы веток радиатора и байпаса проще в этой программе:

Коэффициент затекания можно найти в программе с трехмерной реалистичной графикой:

Номинальный коэффициент затекания должен быть равен 0,5.

Диаметры и клапана нужно подбирать так, чтобы фактическое значение совпадало с номинальным значением.

То есть для расчета фактического коэффициента затекания нужно найти фактические расходы. А найти расходы, включая все гидравлические сопротивления, поможет программное обеспечение: http://gidroraschet.ru/glav/tovar/AutoSnab3D/

Давайте посчитаем разницу коэффициентов затекания при разных движения теплоносителя в тройниках.

Коэффициент затекания можно найти в программе с трехмерной реалистичной графикой:

Что будет, если фактическое значение не совпадает с номинальным значением коэффициента затекания?

Если будет большая разница между фактическим и номинальным значением, то мы получим не эффективное распределение расходов в системе между радиаторами. Грубо говоря, это экономически не выгодно. Например, насос будет использовать лишнюю работу на перекачивание теплоносителя по магистральному трубопроводу. Или например, в первые минуты пуска, радиаторы будут прогреваться менее равномерно. А при не равномерном прогревании мы получим сильное отклонение по температуре между первым и последним радиаторами.

Если фактический коэффициент затекания будет выше номинального, то при первом пуске работы системы, нагрев радиаторов будет менее равномерным. То есть первые радиаторы будут получать заведомо больше преимущества в нагреве, чем последние. Сильное отклонение значений приведет к увеличению разницы температуры между первым и последним радиатором. То есть последние радиаторы будут более холоднее. Если фактический коэффициент затекания будет равен номинальному, то прогрев будет более равномерным и отклонение по температуре будет минимальным.

Если фактический коэффициент затекания будет ниже номинального, то для хорошего прогрева радиаторов придется пускать лишний расход по магистральному трубопроводу. То есть недостаток значения приведет к уменьшению расхода в радиаторе. А если увеличивать расход, то получим лишний — бесполезный расход в магистральном трубопроводе. Это приводит к экономически не выгодному использованию циркуляционного насоса. Если не увеличивать расход магистрали, то мы получим высокие перепады в радиаторах, что приведет к тому, что радиаторы будут выдавать меньше тепловой энергии. То есть получается, что мы купили лишнюю мощность радиатора, которую не используем.

Как влияет теромостатический клапан на коэффициент затекания?

Термостатический клапан сильно уменьшает коэффициент затекания. Это также может приводить к неэффективному использованию радиатора. То есть КПД радиатора может быть ниже.

В заключении спрошу сантехников:

А в этой статье я написал, что будет, если Вы не будите следовать правилу: Фактическое значение коэффициента затекания должно совпадать с номинальным коэффициентом затекания. Это правило экономики нужно соблюдать иначе вся ваша экономика – это трата денег и лишней энергии.