Расчёт тепловых потерь с трубы

Здесь вы можете рассчитать реальные потери тепла трубопроводом, учитывая фактические температуры теплоносителя и воздуха окружающего трубопровод, толщину и свойства тепловой изоляции, а при её отсутствии определить потери тепла открыто проложенным трубопроводом.

Приведенная программа позволяет наиболее точно рассчитать фактические тепловые потери с трубопровода, так как основана на алгоритме прохождения тепла через цилиндрическую стенку.

Методика расчёта тепловых потерь с трубы

Величина тепловых потерь с участка трубопровода за один час, Вт:

• b — коэффициент учитывающий тепловые потери через опоры, соединения и арматуру, принимаемый по СНиП2.04.014 и равный для стальных трубопроводов с Ду =150 b=1.15, а для неметаллических труб b=1.7. Примечание. Расчёт производится без учёта коэффициента b если он не отмечен в таблице.
• l – длина участка, м;
• q – тепловые потери с одного метра трубы за один час, Вт/м.

q = k · 3.14 · (tв — tc)

• tв – температура воды в трубопроводе, °C;
• tс – температура среды окружающей трубопровод, °C;
• k – линейный коэффициент теплопередачи, Вт/м°C;

k = 1 / ( (1/2λт)·ln(dнт/dвт) + (1/2λи)·ln(dни/dви) + 1/(αн·dни) )

• λт – коэффициент теплопроводности материала трубы, Вт/м²°C;
• λи – коэффициент теплопроводности тепловой изоляции, Вт/м²°C;
• dвт, dнт – внутренний и наружный диаметры трубы соответственно, м;
• dви, dни – внутренний и наружный диаметры изоляции соответственно, м;
• αн — коэффициент теплоотдачи на наружной поверхности тепловой изоляции, Вт/ м²°C, принимаемый по приложению 9 СНиП 2.04.14 «Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов»;

Образец расчёта тепловых потерь

Системы внутреннего холодного и горячего водоснабжения

8. Расчет водопроводной сети горячей воды

8.1. Гидравлический расчет систем горячего водоснабжения следует производить на расчетный расход горячей воды

с учетом циркуляционного расхода, л/с, определяемого по формуле

(14)

где — коэффициент, принимаемый: для водонагревателей и начальных участков систем до первого водоразборного стояка по обязательному приложению 5;

для остальных участков сети — равным 0.

8.2. Циркуляционный расход горячей воды в системе , л/с, следует определять по формуле

(15)

где — коэффициент разрегулировки циркуляции;

— теплопотери трубопроводами горячего водоснабжения, кВт;

— разность температур в подающих трубопроводах системы от водонагревателя до наиболее удаленной водоразборной точки, °С.

Значения и в зависимости от схемы горячего водоснабжения следует принимать:

для систем, в которых не предусматривается циркуляция воды по водоразборным стоякам, величину следует определять по подающим и разводящим трубопроводам при = 10°С и = 1;

для систем, в которых предусматривается циркуляция воды по водоразборным стоякам с переменным сопротивлением циркуляционных стояков, величину следует определять по подающим разводящим трубопроводам и водоразборным стоякам при = 10°С и = 1; при одинаковом сопротивлении секционных узлов или стояков величину следует определять по водоразборным стоякам при = 8,5°С и = 1,3;

для водоразборного стояка или секционного узла теплопотери следует определять по подающим трубопроводам, включая кольцующую перемычку, принимая = 8,5°С и = 1.

8.3. Потери напора на участках трубопроводов систем горячего водоснабжения следует определять:

для систем, где не требуется учитывать зарастание труб, — в соответствии с п.7.7;

для систем с учетом зарастания труб — по формуле

(16)

где i — удельные потери напора, принимаемые согласно рекомендуемому приложению 6;

— коэффициент, учитывающий потери напора в местных сопротивлениях, значения которого следует принимать:

0,2 — для подающих и циркуляционных распределительных трубопроводов;

0,5 — для трубопроводов в пределах тепловых пунктов, а также для трубопроводов водоразборных стояков с полотенцесушителями;

0,1 — для трубопроводов водоразборных стояков без полотенцесушителей и циркуляционных стояков.

8.4. Скорость движения воды следует принимать в соответствии с п. 7.6.

8.5. Потери напора в подающих и циркуляционных трубопроводах от водонагревателя до наиболее удаленных водоразборных или циркуляционных стояков каждой ветви системы не должны отличаться для разных ветвей более чем на 10%.

8.6. При невозможности увязки давлений в сети трубопроводов систем горячего водоснабжения путем соответствующего подбора диаметров труб следует предусматривать установку регуляторов температуры или диафрагм на циркуляционном трубопроводе системы.

Диаметр диафрагмы не следует принимать менее 10 мм. Если по расчету диаметр диафрагм необходимо принимать менее 10 мм, то допускается вместо диафрагмы предусматривать установку кранов для регулирования давления.

Диаметр отверстий регулирующих диафрагм рекомендуется определять по формуле

(17)

или по номограмме 6 рекомендуемого приложения 4.

8.7. В системах с одинаковым сопротивлением секционных узлов или стояков суммарные потери давления по подающему и циркуляционному трубопроводам в пределах между первым и последним стояками при циркуляционных расходах должны в 1,6 раза превышать потери давления в секционном узле или стояке при разрегулировке циркуляции = 1,3.

Диаметры трубопроводов циркуляционных стояков следует определять в соответствии с требованиями п. 7.6 при условии, чтобы при циркуляционных расходах в стояках или секционных узлах, определенных в соответствии с п. 8.2, потери давления между точками присоединения их к распределительному подающему и сборному циркуляционному трубопроводам не отличались более чем на 10%.

8.8. В системах горячего водоснабжения, присоединяемых к закрытым тепловым сетям, потери давления в секционных узлах при расчетном циркуляционном расходе следует принимать 0,03-0,06 МПа (0,3-0,6 кгс/кв.см).

8.9. В системах горячего водоснабжения с непосредственным водоразбором из трубопроводов тепловой сети потери давления в сети трубопроводов следует определять с учетом напора в обратном трубопроводе тепловой сети.

Потери давления в циркуляционном кольце трубопроводов системы при циркуляционном расходе не должны, как правило, превышать 0,02 МПа (0,2 кгс/кв.см).

8.10. В душевых с числом душевых сеток более трех распределительный трубопровод следует, как правило, предусматривать закольцованным.

Одностороннюю подачу горячей воды допускается предусматривать при коллекторном распределении.

8.11. При зонировании систем горячего водоснабжения допускается предусматривать возможность организации в ночное время естественной циркуляции горячей воды в верхней зоне.

Горячее водоснабжение без потерь: система ГВС жилого здания и ее регулирование

Практика расчёта циркуляционных трубопроводов систем горячего водоснабжения жилых зданий, основанную на положениях нормативных документов. Приведем предписания по упрощенному расчету циркуляционных трубопроводов немецкого норматива DIN 1988.

Потери тепла для определения циркуляционного расхода в системе ГВС можно рассчитать двумя способами. Первый способ – по удельным потерям тепла изолированными трубопроводами и полотенцесушителями. Второй способ – в процентах от тепловой нагрузки на систему ГВС.

Принцип, заложенный в работу гидравлической сети (системы) с насосной циркуляцией – обеспечение расчетных расходов и давлений при оптимальных капитальных вложениях и энергетических затратах. Насосное оборудование является основным компонентом сети. Общее правило для подбора насоса – характеристика насоса должна соответствовать характеристике сети. При верном подборе насоса и гидравлическом расчете сети обеспечивается нормальная работа системы циркуляции.

Система горячего водоснабжения здания представляет собой сеть, состоящую из участков и стояков. Гидравлические потери на трение участков сети различны, а у стояков практически одинаковые потери давления при определенном расходе. Оптимальное решение – удельные потери на трение на метр длины трубопровода стояка при циркуляционном расходе принимаются не более 150 Па/м.

Для этого необходимо производить уравнивание гидравлических потерь участков сети и стояков. Потребление горячей воды носит переменный и неравномерный характер. Расчет циркуляционного расхода прямо не связан с потреблением горячей воды. При расчете учитывается лишь доля расчетного расхода при работе системы в циркуляционном режиме, которая принимается в размере до 15 % расчетного расхода по водоразборному стояку. Основная задача расчета циркуляционного трубопровода – обеспечение восполнения тепловых потерь, т.е. поддержание необходимой температуры воды в системе при оптимальном гидравлическом сопротивлении.

Насос работает с постоянным напором и подачей при постоянном гидравлическом сопротивлении сети. Изменение любого параметра ведет к изменению режима работы сети и насоса. К циркуляции горячей воды в системе предъявляются требования по обеспечению следующих параметров:

— температура не менее 50 С на выходе из водоразборного устройства;

— температурный перепад от 5 до 12,5 С, необходимый для эффективного использования тепловой энергии на подогрев.

Обеспечивая требуемые температуры, следует соблюдать:

— оптимальный расход электрической энергии;

— оптимальную толщину тепловой изоляции;

— оптимальные диаметры трубопроводов.

Расчёт системы горячего водоснабжения жилых зданий выполняется по ТКП 4-4.01-52-2007 «Системы внутреннего водоснабжения зданий», а ранее в соответствии со СНиП 2.04.01-85.

Повышающий коэффициент, учитывающий увеличение потерь на трение при эксплуатации трубопроводов системы ГВС, применять не следует. Применение укрупненных значений коэффициентов местных сопротивлений также не желательно.

Вывод сделан на том основании, что при эксплуатации системы может происходить следующее:

— если расчет выполнен при условии увязки подбором диаметров трубопроводов и с учетом их зарастания, то при пуске и начальном периоде эксплуатации системы обычно возникают проблемы по регулированию: необходимо выполнить дополнительное увеличение сопротивления сети на величину, полученную при применении повышающего коэффициента; без увеличения сопротивления происходит смещение рабочей точки насоса вниз и снижается эффективность работы насоса;

— если расчет выполнен с установкой дроссельной диафрагмы диаметром не менее 10 мм, то результат тот же (см.1); при этом диаметр отверстия диафрагмы следует уменьшить на величину, соответствующую разнице фактического и расчетного сопротивления сети; при дальнейшей эксплуатации необходимо заменять диафрагмы;

— при установке клапана запорно-регулирующего или термостатического клапана в процессе эксплуатации необходимо выполнять лишь корректирующие действия;

— при установке циркуляционных насосов с 3-ступенчатым регулированием корректирующие действия производятся обслуживающим персоналом в процессе эксплуатации; при увеличении сопротивления сети необходимо перейти на следующую ступень; переход на следующую ступень увеличивает подачу и мощность на приводе насоса; происходит смещение рабочей точки и снижается эффективность работы насоса;

— формулы для подбора (расчета) дросселирующих диафрагм, приведенные в ТКП (ранее в СНиП) и другой справочной литературе, могут применяться только при определённых расходах и перепадах давлений, что не определено в данном документе.

Выполнение верхней разводки трубопровода Т3 (по чердаку, техническому этажу) позволяет не устанавливать кранов для удаления воздуха или устройства удаления воздуха через приборы последнего этажа здания. Для этого необходимо правильно создать уклоны трубопроводов. Удаление воздуха из трубопровода производится путем открытия водоразборной арматуры на любом этаже здания. Расположение трубопроводов Т4 в подвале позволяет качественно и быстрее выполнить регулировку (наладку) системы.

При прокладке трубопроводов в подвалах, чердаках и технических этажах можно применять трубы из полимерных материалов (полиэтиленовые, полипропиленовые и т.п.) с установкой короба жесткости, выполненного из оцинкованной стали толщиной б=0,55÷0,7 мм. Короб выполняется в форме полуцилиндра. Внутренний размер короба должен соответствовать наружному диаметру трубопровода. Данный короб совместно с трубопроводом и трубным креплением обеспечивает конструкцию, соизмеримую по прогибу для стальной трубы под собственным весом, весом воды и изоляции. Установка креплений производится по нормам прокладки для полиэтиленовых трубопроводов в изоляции прокладываемых горизонтально. При таком способе прокладки увеличивается длина участков трубопроводов требующих расчета компенсации линейных удлинений (при температуре воды от 45 до 70 С).

При обеспечении горячей водой жилых зданий часто возникают проблемы с обеспечением нормальной циркуляции воды во внутридомовых системах ГВС. Эти проблемы характерны как для зданий, подключенных от ЦТП, так и для зданий, имеющих ИТП с блоком ГВ. Основные причины нарушения циркуляции – не соблюдение гидравлического и теплового режимов при эксплуатации системы:

— отсутствие или недостаточная толщина тепловой изоляции трубопроводов;

— отсутствие регулирующей арматуры для гидравлической регулировки;

— неудовлетворительная эксплуатация системы – формальное проведение регламентных работ по промывке трубопроводов и теплообменных аппаратов;

— несанкционированные вмешательства в систему – устройство систем отопления «теплый пол», включение полотенцесушителей с устройством запорного клапана на перемычке и др.;

— наличие посторонних предметов в трубопроводах вследствие проведения промывки трубопроводов с нарушением требований;

— некачественное выполнение строительно-монтажных работ – при сварке полипропиленовых труб нарушается температурный режим сварки в сторону увеличения температур, разогрев соединения «труба-фитинг» без соответствующего уменьшения зоны нагрева материала;

— неверный подбор насосного оборудования и регулирующей арматуры (устройств);

— не соблюдение температурного графика теплоснабжения тепловыми сетями или эксплуатирующей службой здания.

Основные причины, влияющие на работоспособность системы, отмечены выше в пунктах 1,5 и 6.

После выполнения регулировки (увязки) дроссельными диафрагмами при эксплуатации практически всегда возникают проблемы, особенно в первые годы. Необходимо периодически выполнять ревизию (осматривать и прочищать) отверстия дроссельной диафрагмы при техническом обслуживании. ТО проводится в период остановки тепловых сетей на время испытаний тепловых сетей или во время эксплуатации системы, при необходимости. Диаметр диафрагмы часто приходится определять подбором. Это влечет увеличение времени производства строительно-монтажных работ и дополнительные затраты при эксплуатации системы.

Службы эксплуатации вместо выполнения регулировки (наладки), проверки состояния отверстия дроссельной диафрагмы следуют неверным путем — увеличивают напор и подачу циркуляционного насоса. К чему это приводит, описано выше.

Следовательно, только установка запорно-регулирующих или термостатических клапанов позволяет справиться с указанной проблемой. Установка термостатических клапанов в большей мере решает проблему. Термостатические клапана для систем ГВС в нашей республике не производятся, что ограничивает их применение. Использование термостатических клапанов обеспечивает прогрев воды до максимальных температур с целью уничтожения бактерий, всегда находящихся в системе водоснабжения и имеющих возможность размножения при определенных условиях (температура и время застоя).

В последнее время нашим институтом применялась установка кранов двойной регулировки типа КРПШ. Диаметр циркуляционных стояков от окончания водоразборных стояков до подключения в магистраль на чердаке (подвале) следует принимать диаметром 15÷20 мм с установкой запорно-регулирующего клапана. Производство таких клапанов освоено в Беларуси рядом предприятий. Пропускная способность клапана обеспечивает циркуляционный расход по стояку с созданием необходимого гидравлического сопротивления. Конструкция клапана позволяет производить наладку, как по номограмме, так и по температуре. Настройка клапанов производится в течение 4÷6 часов на 2- или 3-подъездном жилом доме. Это позволяет качественно эксплуатировать систему.

Регулирование системы производится во время отсутствия водоразбора или при незначительном водоразборе в дневное время. Для выполнения регулировки необходимо заполнять бланк режима работы системы. Бланк заполняется на основании снимаемых показаний накладного термометра с погрешностью не более 1С. Таким образом контролируется расчетная температура в циркуляционном трубопроводе на основании заданного перепада температуры от 5 до 12,5С.

Иногда неверно трактуется следующий абзац пункта 8.3.6 ТКП:

«Диаметры трубопроводов кольцующих перемычек следует принимать не менее наибольшего диаметра водоразборного стояка».

В данном случае это требование следует относить к водоразбору, но никоим образом не к гидравлическому расчету циркуляционных трубопроводов.

В результате этого диаметры начала циркуляционных трубопроводов оказываются завышенными, что приводит к увеличению стоимости системы и усложняет её регулировку.

При правильно отрегулированной схеме затраты электроэнергии на привод циркуляционных насосов будет оптимальным. Напор циркуляционного насоса и расчётное сопротивление схемы должны быть равны. Превышение напора насоса приводит к увеличению расхода электроэнергии и снижает эффективность системы в целом.

Толщина тепловой изоляции трубопроводов должна быть также оптимальна, т.е. эффективность изоляции должен быть не менее 80%. При данной эффективности изоляции затраты тепловой энергии на подогрев воды также находятся в своем оптимуме и позволяют уменьшать подачу насоса до 25%.

Выполненные расчеты показали: увеличение толщины изоляции с 20 мм до 30 мм (вспененный полиэтилен (л = 0,034 ÷ 0,037 Вт/(м* С)) для водоразборных стояков в ванных комнатах, отдельных стояков с полотенцесушителями, магистралей в подвалах и не менее 35 мм (двойная 20+15) в холодных чердаках экономически выгодно.

Правильно подобранная толщина тепловой изоляции даёт ощутимую экономию за время жизненного цикла системы. Окупаемость капитальных затрат на дополнительную толщину изоляции происходит за 6÷12 месяцев эксплуатации. Затраты на регулировку (наладку) системы также окупаются, т.к. всегда на водозабор поступает вода с температурой не ниже 50 С и расход тепловой энергии соответствует оптимальному. При использовании горячей воды с температурой 50 С и выше уменьшается ее потребление для смешения.

Расход воды при работе системы в циркуляционном режиме рассчитывается по возмещению тепловых потерь трубопроводами. Расход воды можно с достаточной точностью определять по данным, приведенным в технической литературе и из опыта проектирования:

— справочник проектировщика ч.1 А.Г. Староверов Стройиздат Москва, 1976;

— методическое пособие к курсовой работе (БПИ Строительный факультет Кафедра ТГСВ, Минск 1974г.);

— ДИН 1988 часть 3 Раздел 14 (определение подачи насоса Vp производится по формуле Vp=3Vтруб в л/час, где Vтруб – внутренний объем трубопроводов ГВС);

— принимать циркуляционный расход в размере 35 ÷ 45 % от часового расчетного потребления горячей воды зданием.

НЕМЕЦКИЙ НОРМАТИВ ДИН 1988 ЧАСТЬ 3 (В ПЕРЕВОДЕ)

Немецкий норматив рекомендует следующее: циркуляционные трубопроводы и насосы.

В плане энергосбережения необходимо учитывать следующие требования:

а) в любом случае следует проверить, нужен ли вообще циркуляционный трубопровод при небольшой длине и коротком времени прохождения потока от нагревателя питьевой воды к месту забора. При отдаленных местах водозабора экономичнее может быть децентрализованный подогрев;

б) посредством прерывания циркуляции в паузах потребления (например, с помощью таймера) снижаются теплопотери;

в) для определения параметров циркуляционных трубопроводов и насосов рекомендуется следующее: вертикальный циркуляционный трубопровод устраивают от присоединения стояка с условным проходом минимально DN 12. Горизонтальные циркуляционные сборные трубопроводы выбирают в зависимости от условных проходов или внутренних диаметров соответствующих трубопроводов теплой воды по таблице.

Таблица. Ориентировочные значения циркуляционных сборных трубопроводов

Для предотвращения чрезмерного охлаждения нагретой питьевой воды достаточно трехкратной циркуляции в час.

Необходимый напор насоса ∆Pp получается из суммы потерь напора вследствие трения в трубах и местных сопротивлений на самом продолжительном участке пути от присоединения циркуляционного трубопровода к трубопроводу теплой воды до нагревателя питьевой воды. Потери напора определяются с помощью расчетной схемы и формуляра в приложении А раздела А.7. при этом необходимо учитывать, чтобы скорость потока υ (приложение А, раздел А.7, колонка № 12) не превышала значения 0,5 м/с в циркуляционном трубопроводе. Из-за небольшой доли потерь напора вследствие циркуляции в стояках и распределителях нагретой воды ими можно пренебречь при определении напора насоса. Частичные потоки рассчитываются по значению подачи насоса, деленному на количество циркуляционных трубопроводов. Равномерные частичные потоки достигаются посредством уравнивания дроссельной арматурой, устанавливаемой в циркуляционные трубопроводы в направлении течения перед запорной арматурой. Регулировка дроссельной арматуры не должна нарушаться работой запорной арматуры.

Если рассчитанная рабочая точка (ВР) находится между двумя кривыми насоса (Р1 и Р2), то по экономическим соображениям рекомендуется выбор меньшего насоса*.

Немаловажная роль отводится безопасности системы согласно Техническому регламенту ТР 2009/013/BY. Это необходимость обеспечения постоянной смены воды в трубопроводах таких устройств, как поливочный кран для уборки помещений мусорокамер и мусоропровода. Технические рекомендации по данному условию в ТКП отсутствуют.

— во-первых, необходимо в дополнение ТКП выпустить рекомендации с указанием форм расчета, по подобию немецких норм DIN;

— во-вторых, исключить регулирование посредством установки диафрагм;

— в-третьих, указать минимальную, экономически оправданную, толщину тепловой изоляции для трубопроводов, прокладываемых в подвалах, технических подпольях и внутренних помещениях здания, – 30 мм при коэффициенте теплопроводности (вспененный полиэтилен) =0,034÷0,037 Вт/(м*С);

— в-четвертых, подключение поливочных кранов для уборки помещений мусорокамер необходимо выполнять с обеспечением периодической циркуляции или посредством установки обратного клапана после отключающего устройства, для недопущения возможного попадания застоявшейся воды в общую систему питьевого водопровода; промывку участков трубопровода между отключающим устройством и поливочным краном производить в соответствии с требованием санитарных норм.

* Извлечение: ДИН 1988 часть 3 Технические правила по системам хозяйственно-питьевого водоснабжения. Определение диаметра труб. Технические правила DVGW.

— Алексей ПЛОТКО, главный специалист ТО ОКУП «Институт Гомельгражданпроект»;

— Игорь МАЦКО, ведущий инженер группы ТГВ ОКУП «Институт Гомельгражданпроект»;

— Источник: Журнал «Мастерская. Современное строительство» №5, 2013.