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 Δр_тр и в местных сопротивлениях Δр_м.с.:

Учитывая сложность расчета потерь давления на трение по формулам, обычно пользуются таблицами или номограммами. Потери давления на трение Δр_тр 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 Δр_м.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 Δр_i, 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 Δр_е 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 Δр_р.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 Δр_р.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.

Основные принципы гидравлического расчета теплопроводов систем водяного отопления

Системы отопления представляют собой разветвлен­ную сеть теплопроводов, выполняющих важную функцию распределения теплоносителя по отопительным приборам. Целью гидравлического расчета является определе­ние диаметров теплопроводов при заданной тепловой на­грузке и расчетном циркуляционном давлении, установ­ленном для данной системы.

Как известно из курса гидравлики, при движении реальной жидкости по трубам всегда имеют место поте­ри давления на преодоление сопротивления двух видов — трения и местных сопротивлений. К местным сопротив­лениям относятся тройники, крестовины, отводы, венти­ли, краны, отопительные приборы, котлы, теплообменни­ки и т. д.

Потери давления , Па, на преодоление трения на участке теплопровода с постоянным расходом движу­щейся среды (воды, пара) и неизменным диаметром определяют по формуле

где — диаметр теплопровода, м; — коэффициент гидравлического трения (величина безразмерная); — скорость движения воды в те­плопроводе, м/с; — плотность движущейся среды, кг/м’; —удель­ные потерн давления; Па/м; — длина участка теплопровода, м.

Потерн давления на преодоление местных сопротив­лений, Па, определяют по формуле:

где — сумма коэффициентов местных сопротивлении в данном участке теплопровода, величина безразмерная; — динамическое давление воды о данном участке тепло­провода, Па.

Суммарные потери давления, возникающие при дви­жении воды в теплопроводе циркуляционного кольца, должны быть меньше расчетно-циркуляционного давле­ния, устанавливаемого для данной системы. Под расчет­ным циркуляционным давлением понимается давление, необходимое для поддержания принятого гидравлическо­го режима системы отопления. Это то давление, которое может быть израсходовано в расчетных условиях на преодоление гидравлических сопротивлении в системе.

Гидравлический расчет теплопроводов систем водя­ного отопления выполняют различными методами. Наи­большее распространение получили методы расчета теплопроводов по удельным потерям и по характеристикам сопротивления.

Первый метод заключается в раздельном определении потерь давления на трение и в местных сопротивлениях. При этом диаметры теплопроводов определяют при постоянных перепадах температуры воды во всех стояках и ветвях , равных расчетному перепаду температуры воды во всей системе .

Во втором методе устанавливают распределение потоков воды в циркуляционных кольцах системы и полу­чают переменные (неравные) перепады температуры во­ды в стояках и ветвях . Предварительно вы­бирают диаметр теплопровода на каждом расчетном уча­стке с учетом допустимых скоростей движения воды. Расчетным участком называют участок теплопровода с неизменным расходом теплоносителя.

При расчете главного циркуляционного кольца (наи­более неблагоприятного в гидравлическом отношении циркуляционного контура) рекомендуется предусматри­вать запас давления на неучтенные сопротивления, но не более 10 % расчетного давления:

Методика гидравлического расчета теплопровода си­стем водяного отопления.

1. До гидравлического расчета теплопроводов выполняют аксонометрическую схему си­стемы отопления со всей запорно-регулирующей арма­турой. К составлению такой схемы приступают после того, как: подсчитана тепловая мощность системы отопле­ния здания; выбран тип отопительных приборов и опре­делено их число для каждого помещения; размещены на поэтажных планах здания отопительные приборы, горячие и обратные стояки, а на планах чердака и подвала — подающие и обратные магистрали; выбрано место для теплового пункта или котельной; показано на плане чер­дака или верхнего этажа (при совмещенной крыше) раз­мещение расширительного бака и приборов воздухоудаления.

На планах этажей, чердака и подвала горячие и об­ратные стояки системы отопления должны быть прону­мерованы, а на аксонометрической схеме кроме стояков нумеруют все расчетные участки циркуляционных ко­лец— участки труб, а также указывают тепловую на­грузку и длину каждого участка. Сумма длин всех рас­четных участков составляет величину расчетного цирку­ляционного кольца.

2. Выбирают главное циркуляционное кольцо. В ту­пиковых схемах однотрубных систем за главное принима­ется кольцо, проходящее через дальний стояк, а в двух­трубных системах — кольцо, проходящее через нижний прибор дальнего стояка. В последнем случае — наи­большая,

а — наименьшая, тогда и отношение , определяющее давление на 1 м длины, здесь бу­дет наименьшим. При попутном движении воды наиболее неблагоприятным в гидравлическом отношении являет­ся кольцо, проходящее через один из средних наиболее нагруженных стояков.

3. Определяют расчетное циркуляционное давление

4. При расчете по методу удельных потерь давления для предварительного выбора диаметров теплопроводов определяют среднее значение удельного падения давле­ния по главному циркуляционному кольцу:

где — коэффициент, учитывающий долю потери давления на мест­ные сопротивления от общей величины расчетного циркуляционного давления ( = 0,35 — для систем отопления с искусственной циркуля­цией, = (),5 — для систем отопления с естественной циркуляцией); —общая длина расчетного циркуляционного кольца, м; — расчетное циркуляционное давление, Па.

5. Определяют расходы воды на расчетных участках , кг/ч:

где — тепловая нагрузка участка, составленная из тепловых на­грузок отопительных приборов, обслуживаемых протекающей по участку водой, Вт; — теплоемкость воды, кДж/(кг-К); — перепад температур воды в системе, °С; и — коэффициенты; 3,6 — коэффициент перевода Вт в кДж/ч.

Ориентируясь на полученное значение и опреде­лив количество воды , кг/ч, можно с помощью рас­четной таблицы подобрать оптимальные диаметры труб расчетного кольца. Все данные, получае­мые при расчете теплопровода, заносят в специальную таблицу .

При расчете отдельных участков теплопровода необ­ходимо иметь в виду следующее: местное сопротивление тройников и крестовин относят лишь к расчетным участ­кам с наименьшим расходом воды; местные сопротивле­ния отопительных приборов, котлов и подогревателей учитывают поровну в каждом примыкающем к ним теплопроводе.

Если по произведенному расчету с учетом запаса до 10% расходуемое давление в системе будет больше или меньше расчетного давления , то на отдельных уча­стках кольца следует изменить диаметры труб.

После расчета главного циркуляционного кольца рас­считывают параллельные циркуляционные кольца, (ко­торые состоят из участков главного кольца (уже рассчитанных) и дополнительных (не общих) участков, еще не рассчитанных. Проводится «увязка» потерь давления, т.е. получение равенства потерь давления на параллель­но соединенных дополнительных участках других колец и не общих участках главного циркуляционного кольца.

Согласно п. 3.35 СНиП 2.04.05—86, неувязка потерь давления в циркуляционных кольцах (без учета потерь давления в общих участках) не должна превышать 5 % при попутной и 15 % при тупиковой разводке теплопро­водов систем водяного отопления в расчете с постоянны­ми разностями температур в подающей и обратной маги­стралях.

Формулу используют для определения расхода воды на расчетном участке в однотрубных проточных и двухтрубных системах отопления.

Для однотрубной системы с замыкающими участками расход воды в приборах определяется с учетом коэффи­циента затекания воды в приборы, представляющего со­бой отношение массы воды, затекающей в прибор, к об­щей массе воды, проходящей по стояку:

где — масса воды, поступающей в прибор, кг/ч; — масса во­ды, проходящей по стояку, кг/ч.

При гидравлическом расчете однотрубной системы отопления потеря давления в межрадиаторных узлах оценивается произведением суммарного коэффициента местного сопротивления узла на динамическое давление стояка. Данные о коэффициентах затекания и суммар­ных коэффициентах местного сопротивления узлов раз­личных систем приведены в справочной литературе.

Для унификации монтажной заготовки элементов и межрадиаторных узлов системы отопления стояки и подводки обычно выполняют стандартными для каж­дого типа здания.

Лекция №5

Паровое отопление. Свойства пара как теплоносителя. Достоинства и недостатки систем парового отопления. Виды систем парового отопления, их устройство. Отопительные приборы систем водяного и парового отопления. Требования к приборам. Виды и конструктивные особенности отопительных приборов. Расчет поверхности отопительного прибора.

Паровое отопление — это вид центрального отопления, при котором теплоносителем служит пар, поступающий в систему отопления от сети централизованного теплоснабжения или от парового котла, находящегося в отапливаемом здании или рядом с ним. Область применения парового отопления из-за присущих ему недостатков в современном строительстве значительно сократилась. При наличии пара как теплоносителя для отопления чаще используется комбинированное пароводяное отопление, при котором вместо отопительного котла устанавливается работающий на пару водонагреватель.
Системы парового отопления по способу возвращения конденсата в паровой котёлразделяются на:

§ замкнутые, с самотёчным возвращением конденсата

§ разомкнутые, с перекачкой конденсата насосом

В зависимости от давления пара системы парового отопления подразделяются на: