Гидравлический расчёт систем водяного отопления

 

Естественное циркуляционное давление, возникающее в системах водяного отопления, в общем случае можно рассматривать как сумму двух величин: давления Δр_е.пр, возникающего за счёт охлаждения воды в отопительных приборах, и давления Δр_е.тр, вызываемого охлаждением воды в теплопроводах.

 

                      Δр_е = Δр_е.пр + Δр_е.тр                        (14)

 

В системах отопления многоэтажных зданий первое слагаемое в большинстве случаев является основным по величине, а второе дополнительным. В системах с естественной циркуляцией Δр_е, рассчитанное по формуле (14), является расчётным циркуляционным давлением Δр_р.

Расчётное циркуляционное давление в системе с искусственной циркуляцией складывается из давления Δр_нас, создаваемого насосом, и естественного давления Δр_е:

 

  Δр_р = Δр_нас + Δр_е = Δр_нас + Б (Δр_е.пр + Δр_е.тр)   (15)

 

где Б – коэффициент, определяющий долю максимального естественного

       давления, которую целесообразно учитывать в расчётных условиях;

      для двухтрубных и однотрубных горизонтальных систем 0,4-0,5,

      для однотрубных 1.

 

Системы отопления представляют собой разветвлённую сеть теплопроводов, выполняющих важную функцию распределения теплоносителя по отопительным приборам. Теплопроводы доставляют и передают в каждое помещение обогреваемого здания необходимое количество тепловой энергии.

Для определения диаметров теплопроводов при заданной тепловой нагрузке и расчётном циркуляционном давлении выполняют гидравлический расчёт трубопроводов системы отопления.

Как известно, при движении реальной жидкости по трубам всегда имеют место потери давления на преодоление сопротивления двух видов трения и в местных сопротивлениях (тройники, крестовины, отводы, вентили, краны, отопительные приборы).

Гидравлический расчёт выполняют по пространственной схеме системы отопления, вычерчиваемой обычно в аксонометрической проекции. На схеме системы выявляют циркуляционные кольца, делят их на участки и наносят тепловые нагрузки. В циркуляционное кольцо могут быть включены один (двухтрубная система) или несколько (однотрубная система) отопительных приборов и всегда теплогенератор, а также побудитель циркуляции теплоносителя в насосной системе отопления.

Участком называют трубу постоянного диаметра с одним и тем же расходом теплоносителя. Последовательно соединённые участки, образующие замкнутый контур циркуляции воды через теплогенератор, составляют циркуляционное кольцо системы.

Тепловая нагрузка прибора (точнее прибора с прилегающим этажестояком) принимается равной расчётным теплопотерям помещений Q_пот (за вычетом теплопоступлений, если они имеются).

Тепловая нагрузка участка Q_уч составляется из тепловых нагрузок приборов. Для участка подающего теплопровода тепловая нагрузка выражает запас теплоты в протекающей горячей воде, предназначенной для последующей (на дальнейшем пути воды) теплопередачи в помещения; для участка обратного теплопровода потери теплоты протекающей охлаждённой водой при теплопередаче в помещения (на предшествующем пути воды). Тепловая нагрузка участка предназначена для определения расхода воды на участке в процессе гидравлического расчёта.

Расход воды на участке G_уч при расчётной разности температуры воды в системе t_г – t_о с учётом дополнительной теплоподачи в помещения определяется по формуле:

 

                                            (16)

 

где Q_уч – тепловая нагрузка участка, Вт;

с – удельная массовая теплоёмкость воды, равная 4,187 кдж/кг град;

β₁, β₂ – поправочные коэффициенты, учитывающие дополнительную

            теплоотдачу в помещение.

 

Гидравлический расчёт можно выполнять различными методами: по удельным потерям давления, по характеристикам сопротивления, по приведённым длинам, по динамическим давлениям. Наиболее широкое распространение получили первые два метода расчёта теплопроводов.

Методика гидравлического расчёта теплопроводов систем водяного отопления:

1. Разрабатывается аксонометрическая схема системы отопления. К составлению такой схемы приступают после того, как: подсчитаны теплопотери помещениями 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, определены размеры расширительного сосуда, если он требуется, и способ воздухоудаления. На планах этажей, чердака и подвала горячие и обратные стояки системы отопления должны быть пронумерованы, а на аксонометрической схеме кроме стояков нумеруются и все расчётное участки циркуляционных колец. Для расчёта трубопровода дополнительно на схеме указывают тепловую нагрузку и длину каждого расчётного участка трубопровода циркуляционного кольца, а также всю запорно-регулировочную арматуру (краны, задвижки и так далее). Сумма длин всех расчётных участков составляет величину расчётного циркуляционного кольца.

2. Выбирается главное циркуляционное кольцо. В тупиковых однотрубных системах это кольцо через наиболее удалённый стояк, в попутных однотрубных системах кольцо через один из средних наиболее нагруженных стояков, в двухтрубных с верхней разводкой кольцо через нижний прибор наиболее удалённого стояка.

3. Определяется расчётное циркуляционное давление р_р, Па, по формулам (14) и (15)

4. Определяются потери давления Δр_уч на каждом участке: при расчёте по методу удельных потерь:

 

                            Δр_уч = R ∙ l + Z                      (17)

 

где R – удельные потери давления на трение на участке, Па/м,

        определяемые по номограммам;

2 ρ w Z = ζ – потери давления в местных сопротивлениях, Па;

2 ζ – сумма коэффициентов местных сопротивлений на участке;

  ρ – плотность воды, кг/м³;

  w – скорость воды на участке, м/с.

 

при расчёте по методу характеристик сопротивления

 

                         Δр_уч = SG_уч λ                             (18)

 

где S = A ∙ l + ζ характеристика сопротивления рассматриваемого d участка

      трубопровода, Па/(кг/с²);

G – расход воды на рассматриваемом участке, кг/с;

λ/d – приведённый коэффициент гидравлического трения;

l – длина участка трубопровода;

ζ – сумма коэффициентов местных сопротивлений на участке;

A – удельное динамическое давление на участке, Па/(кг/с²).

При расчёте отдельных участков трубопровода необходимо иметь в виду следующее: местное сопротивление тройников и крестовин относят лишь к расчётным участкам с наименьшим расходом воды; местные сопротивления нагревательных приборов, котлов и бойлеров учитывают поровну в каждом примыкающем к ним трубопроводе.

Определяются суммарные потери давления в расчётном циркуляционном кольце. Для нормальной работы системы отопления, т.е. обеспечения затекания воды во все отопительные приборы и, соответственно, передачи заданного количества теплоты во все помещения, потери давления в расчётном циркуляционном кольце должны быть на 10 % меньше располагаемого циркуляционного давления, то есть должно соблюдаться условие (19). При этом желательно не отступать от величины 10 % ни в большую, ни в меньшую стороны.

 

                           р = р_уч ∙ 0,9 ∙ р_р                          (19)

 

Если по произведённому расчёту с учётом запаса до 10 % расходуемое давление в системе будет больше или меньше располагаемого давления, то на отдельных участках кольца следует изменить диаметры труб.

Невязка в расходуемом давлении между отдельными циркуляционными кольцами допускается в однотрубных системах и двухтрубных системах с попутным движением воды до 15 %, а в двухтрубных с тупиковой разводкой до 25 %.