Углы 90 градусов для отопления

Расчет гидравлического сопротивления в системе отопления.

Ниже будут реальные задачи.

Вы, конечно, можете воспользоваться специальными программами, для этого, но пользоваться программами весьма затруднительно, если вы не знаете основ гидравлики. Что касается некоторых программ, то в них не разжевываются формулы, по которым происходит гидравлический расчет. В некоторых программах не описываются некоторые особенности по разветвлению трубопроводов, и нахождению сопротивления в сложных схемах. И весьма затруднительно считать, это требует дополнительного образования и научно-технического подхода.

В этой статье я раскрываю для Вас абсолютный расчет (алгоритм) по нахождению гидравлического сопротивления.

Существуют местные гидравлические сопротивления, которые создают различные элементы систем, например: Шаровый кран, различные повороты, заужения или расширения, трайники и тому подобное. Казалось бы, с поворотами и сужениями понятно, а расширения в трубах тоже создают гидравлические сопротивления.

Протяженность прямой трубы тоже создает сопротивление движению. Вроде прямая труба без сужений, а все равно создает сопротивление движению. И чем длиннее труба, тем больше сопротивление в ней.

Эти сопротивления, хоть и отличаются, но для системы отопления они просто создают сопротивление движению, а вот формулы по нахождению этого сопротивления отличаются между собой.

Для системы отопления не важно, какое это сопротивление местное или по длине трубопровода. Это сопротивление одинаково действует на движение воды в трубопроводе.

Сопротивление будем измерять в метрах водяного столба. Также сопротивление можно обзывать как потеря напора в трубопроводе. Но только однозначно это сопротивление измеряется в метрах водяного столба, либо переводится в другие единицы измерения, например: Bar, атмосфера, Па (Паскаль) и тому подобное.

Что такое сопротивление в трубопроводе?

Чтобы понять это рассмотрим участок трубы.

Манометры, установленные на подающей и обратной ветке трубопроводов, показывают давление на подающей трубе и на обратной трубе. Разница между манометрами показывает перепад давления между двумя точками до насоса и после насоса.

Для примера предположим, что на подающем трубопроводе (справа) стрелка манометра указывает на 2,3 Bar, а на обратном трубопроводе (слева) стрелка манометра показывает 0,9 Bar. Это означает, что перепад давления составляет:

Величину Bar переводим в метры водяного столба, оно составляет 14 метров.

Очень важно понять, что перепад давления, напор насоса и сопротивление в трубе — это величины, которые измеряются давлением (Метрами водяного столба, Bar, Па и т.д.)

В данном случае, как указано на изображение с манометрами, разница на манометрах показывает не только перепад давления между двумя точками, но и напор насоса в данном конкретном времени, а также показывает сопротивление в трубопроводе со всеми элементами, встречающимися на пути трубопровода.

Другими словами, сопротивление системы отопления это и есть перепад давления в пути трубопровода. Насос создает этот перепад давления.

Устанавливая манометры на две разные точки, можно будет находить потери напора в разных точках трубопровода, на которые Вы установите манометры.

На стадии проектирования нет возможности создавать похожие развязки и устанавливать на них манометры, а если имеется такая возможность, то она очень затратная. Для точного расчета перепада давления манометры должны быть установлены на одинаковые трубопроводы, то есть исключить в них разность диаметров и исключить разность направление движения жидкости. Также манометры не должны быть на разных высотах от уровня горизонта.

Ученые приготовили для нас полезные формулы, которые помогают находить потери напора теоретическим способом, не прибегая к практическим проверкам.

Разберем сопротивление водяного теплого пола. Смотри изображение.

Труба металлопластиковая 16мм, внутренний диаметр 12мм. длина трубы 40 м. По условию обогрева, расход в контуре должен быть 1,6 л/мин Поворотов 90 градусов соответствует: 30 шт. Температура теплоносителя (воды): 40 градусов Цельсия.

Для решения данной задачи были использованы следующие материалы:

Первым делом находим скорость течения в трубе.

Q= 1,6 л/мин = 0,096 м 3 /ч = 0,000026666 м 3 /сек.

V = (4•0,000026666)/(3,14•0,012•0,012)=0,24 м/с

Находим число Рейнольдса

ν=0,65•10 -6 =0,00000065. Взято из таблицы. Для воды при температуре 40°С.

Δэ=0,01мм=0,00001м. Взято из таблицы, для металлопластиковой трубы.

Далее сверяемся по таблице, где находим формулу по нахождению коэффициента гидравлического трения.

У меня попадает на первую область при условии

4000 0,25 = 0,3164/4430 0,25 = 0,039

Далее завершаем формулой:

h=λ•(L•V 2 )/(D•2•g)= 0,039•(40•0,24•0,24)/(0,012•2•9,81)= 0,38 м.

Находим сопротивление на поворотах

h=ζ•(V 2 )/2•9,81=(0,31•0,24 2 )/( 2•9,81)= 0,00091 м.

Данное число умножаем на количество поворотов 90 градусов

В итоге полное сопротивление уложенной трубы составляет: 0,38+0,0273=0,4 м.

Теория о местном сопротивление

Хочу подметить процесс вычисления местных сопротивлений на поворотах и различных расширений и сужений в трубопроводе.

Потеря напора на местном сопротивление находится по этой формуле:

h-потеря напора здесь она измеряется в метрах. ζ-Это коэффициент сопротивления, он будет находиться дополнительными формулами, о которых напишу ниже. V — скорость потока жидкости. Измеряется [Метр/секунда]. g — ускорение свободного падения равен 9,81 м/с 2

В этой формуле меняется только коэффициент местного сопротивления, коэффициент местного сопротивления для каждого элемента свой.

Подробнее о нахождение коэффициента

Обычный отвод в 90 градусов.

Коэффициент местного сопротивления составляет примерно единице.

Формула для других углов:

Постепенный или плавный поворот трубы

Постепенный поворот трубы (отвод или закруглённое колено) значительно уменьшает гидравлическое сопротивление. Величина потерь существенно зависит от отношения R/d и угла α.

Коэффициент местного сопротивления для плавного поворота можно определить по экспериментальным формулам. Для поворота под углом 90° и R/d>1 он равен:

для угла поворота более 100°

Для угла поворота менее 70°

Для теплого пола, поворот трубы в 90° составляет: 0,31-0,51

где n степень сужения трубы.

ω1, ω2 — сечение внутреннего прохода трубы.

В формулу вставляется скорость течения в трубе с малым диаметром.

В формулу вставляется скорость течения в трубе с малым диаметром.

Также существуют и плавные расширения и сужения, но в них сопротивление потоку уже значительно ниже.

Внезапное расширение и сужение встречается очень часто, например, при входе в радиатор получается внезапное расширение, а при уходе жидкости из радиатора внезапное сужение. Также внезапное расширение и сужение наблюдается в гидрострелках и коллекторах.

Более детально о разветвлениях поговорим в других статьях.

Находим сопротивление для радиаторной системы отопления. Смотри изображение.

Труба металлопластиковая 16мм, внутренний диаметр 12мм. Длина трубы 5 м. По условию обогрева, расход в контуре радиатора должен быть 2 л/мин Плавных поворотов 90 градусов соответствует: 2 шт. Отводов 90 градусов: 2шт. Внезапное расширение на входе в радиатор: 1шт. Внезапное сужение на выходе из радиатора: 1шт. Температура теплоносителя (воды): 60 градусов Цельсия.

Для начала посчитаем сопротивление по длине трубопровода.

Первым делом находим скорость течения в трубе.

Q= 2 л/мин = 0,096 м 3 /ч = 0,000033333 м 3 /сек.

V = (4•0,000033333)/(3,14•0,012•0,012)=0,29 м/с

Находим число Рейнольдса

ν=0,65•10 -6 =0,000000475. Взято из таблицы. Для воды при температуре 60°С.

Δэ=0,01мм=0,00001м. Взято из таблицы, для металлопластиковой трубы.

Далее сверяемся по таблице, где находим формулу по нахождению коэффициента гидравлического трения. У меня попадает на первую область при условии

4000 0,25 = 0,3164/7326 0,25 = 0,034

Далее завершаем формулой:

h=λ•(L•V 2 )/(D•2•g)= 0,034•(5•0,29•0,29)/(0,012•2•9,81)= 0,06 м.

Находим сопротивление на плавном повороте

h=ζ•(V 2 )/2•9,81=(0,31•0,292)/( 2•9,81)= 0,0013 м.

Данное число умножаем на количество поворотов 90 градусов

Находим сопротивление на коленном (прямом 90°) повороте

Там, где имеется сужение и расширение — это тоже будет являться гидравлическим сопротивлением. Я не стану считать сужение и расширение на металлопластиковых фитингах, так как далее мы все равно затронем эту тему. Потом сами посчитаете.

h=ζ•(V 2 )/2•9,81=(2•0,292)/( 2•9,81)= 0,0086 м.

Данное число умножаем на количество поворотов 90 градусов

Находим сопротивление на входе в радиатор.

Вход в радиатор — это ни что иное как расширение трубопровода, поэтому коэффициент местного сопротивления будем находить для трубы идущий на резкое расширение.

Минимальный диаметр примем за 15мм, а максимальный диаметр у радиатора примем за 25мм.

Находим площадь сечения двух разных диаметров:

ω₁ = π • D 2 /4 = 3.14 • 15 2 / 4 = 177 мм 2

ω₂ = π • D 2 /4 = 3.14 • 25 2 / 4 = 491 мм 2

h=ζ•(V 2 )/2•9,81=(0,41•0,19 2 )/( 2•9,81)= 0,00075 м.

Находим сопротивление на выходе из радиатора.

Выход из радиатора — это ни что иное как сужение трубопровода, поэтому коэффициент местного сопротивления будем находить для трубы идущий на резкое сужение.

Площади уже известны

ω₂ = π • D 2 /4 = 3.14 • 15 2 / 4 = 177 мм 2

ω₁ = π • D 2 /4 = 3.14 • 25 2 / 4 = 491 мм 2

h=ζ•(V 2 )/2•9,81=(0,32•0,19 2 )/( 2•9,81)= 0,00059 м.

Далее все потери складываются, если эти потери идут последовательно друг для друга.

Чтобы в ручную не считать всю математику я приготовил специальную программу:

О холодных батареях или о том, как правильно проектировать систему отопления

Дорогие читатели! Много! Ох, как много вопросов о том, что все хорошо, но некоторые батареи (радиаторы) или целые ветви отопления холодные. У меня есть для вас хорошая новость! Я знаю, одну из самых частых причин, почему это происходит. Плохая новость в том, что исправление ошибок такого рода далеко не просто и часто дорого. Лучше не допускать ошибки, о которых я буду сегодня писать.

На сколько важна скорость циркуляции воды?

Вот один из главнейших вопросов. Отвечаю на него сразу и очень определенно. Скорость воды — это очень важно. Если скорость воды мала, то вы будете мерзнуть и расходовать лишнее топливо. Хоть это и звучит, как банальность, на самом деле это не совсем банально. Надеюсь, вы сейчас это поймете.

Почему вода должна уходить в ответвление?

Вот вопрос, который меня мучил, когда я проектировал систему отопления себе. Я действительно не могу понять, что заставляет воду, идущую по прямой трубе, зайти в ответвление этой трубы под 90 градусов. Если вы это понимаете, вы счастливые люди! А я не понимаю. Я ставлю себя на место воды. Передо мной широкая труба. Я двигаюсь по ней в прямом направлении. С какой стати мне, воде то есть, вдруг отвлечься от этого движения и пойти поперек своему течению в более тонкую трубу, да еще и под прямым углом к моему первоначальному направлению движения? Для того, чтобы пойти в более тонкое ответвление, мне надо как минимум его заметить. Потом мне надо затормозить, чтобы свернуть. Потом мне надо еще более затормозить, ибо в более узкой трубе я не могу двигаться с той же скоростью. Ну ладно, если бы у меня была специальная полоса для того, чтобы свернуть (как на автомобильной трассе), я бы заранее увидел вывеску, перестроился (плавно) и так же плавно повернул на ответвление. Но мы не делаем воде таких условий, и почему-то ждем от нее, что она с охотой пойдет в перпендикулярную трубу. Нет! Решительно не понимаю!

Что на мой взгляд, может заставить воду пойти в ответвление?

Я думаю — только препятствие в прямой трубе. Тогда это препятствие будет создавать некое избыточное давление, и по причине этого давления вода будет искать другие пути прохода и пойдет в ответвление. Что может быть таким препятствием?

• Крутой поворот основной магистрали.
• Трение воды о внутреннюю поверхность трубы-магистрали.
• Воздух, песок, ржавчина, скопившаяся в магистрали.
• Вода с другой плотностью, например, более холодная.
• (Внимание. ) Высокая скорость воды в системе!

Мне кажется, чем выше скорость воды, тем выше трение и тем большим препятствием будет любая шероховатость магистрали или поворот. Скорость не может расти бесконечно. Скорость уравновешивается трением и в итоге растет давление воды.

Выводы

Если подающая магистраль будет прямая, если внутренняя ее поверхность будет гладкая и если скорость воды будет слабая, то, видимо, ничто не заставит воду зайти в радиатор. Он всегда будет холодным.

Если избыточное давление при движении воды будет минимальным, то ровно таким минимальным будет скорость воды в радиаторе и его температура. Вот например, если ответвление постепенно охлаждается на протяжении 30-ти см от развилки, то это значит, что вода в это ответвление уходит, но скорость ее такая крошечная, что она успевает охладиться, пока проходит эти самые 30 см. Можете сами прикинуть скорость в этом случае.

Реальные примеры, подтверждающие важность скорости воды в системе

Случай №1

В 2000 (а может быть и в 2001) году я сделал себе отопление. Я поставил в него циркуляционный насос фирмы Vortex. На него гарантия была 5 лет. Проработал он более 10. Я много раз писал о нем. Он работал, но начал сдавать. Он зашумел. Потом он застучал. Он стал нагреваться. То есть я как-то газ выключил, а насос выключить забыл. И вот, что меня реально удивило, так это то, что он был довольно теплый при том, что качал холодную воду! Прошлой зимой я обратил внимание на то, что слабо стал прогреваться полотенцесушитель на втором этаже. А в один прекрасный момент он просто не нагрелся при запуске отопления. Мне пришлось перекрыть все радиаторы на этой ветви и только после этого полотенцесушитель нагрелся и стал греть. В этом году я решил заменить-таки циркуляционный мотор, и заменил. И все! Проблема исчезла! Полотенцесушитель стал нагреваться именно так, как надо. Очень похоже, что бедный насос за столь значительный срок службы сработался так, что скорости воды в системе не хватало для того, чтобы прогревался полотенцесушитель. Видимо он находится в таком месте, что продавить его труднее, чем все остальные радиаторы.

А что же это за место такое? Да ничего особенного. Просто ко всем радиаторам у меня подходит вода сверху, а в полотенцесушитель мне приходится поднимать воду чуть выше магистрали. Вот и вся разница. И получается, что этого вполне хватает для того, чтобы воде было существенно меньше желания в эту трубу зайти.

Случай №2

Буквально недавно ко мне обратилась одна женщина с похожей проблемой. У нее вдруг перестал греться полотенцесушитель. Пришли сантехники. Стали думать. Ничего лучшего не придумали, как прогнать воду через полотенцесушитель и нагреть его. Потом они ушли, а полотенцесушитель через 3 часа стал опять холодный. Пришлось опять вызывать сантехников. Они стали думать еще более напряженно. Они сняли полотенцесушитель и промыли его. Но опять ничего не изменилось. Тогда они сказали, что ничего не остается, как только поменять прибор на другой. И вот тут бедная женщина позвонила мне. Я попросил ее сфотографировать подводку к плотенцесушителю и мне все сразу стало ясно. Вот эти фотки.