Максимальный тепловой комфорт в доме, помимо теплосберегающих конструкций, должны обеспечить гидравлический расчет системы отопления, её качественный монтаж и правильная эксплуатация.Для эффективного теплоснабжения необходимо сохранить первоначальные параметры системы при любых нагрузках независимо от времени года.
Главные компоненты отопительной системы:
- Источник тепла (котёл).
- Тепловая магистраль (трубы).
- Приборы теплоотдачи (радиаторы).
Перед началом гидравлических расчётов выполняют:
- Сбор и обработку информации по объекту с целью:
- определения количества требуемого тепла;
- выбора схемы отопления.
- Тепловой расчёт системы отопления с обоснованием:
- объёмов тепловой энергии;
- нагрузок;
- теплопотерь.
Если водяное отопление признаётся оптимальным вариантом, делается гидравлический расчёт.Чтобы рассчитать гидравлику системы отопления с помощью программы, потребуется знакомство с теорией и законами сопротивления. О них кратко - в пошаговом описании гидравлического расчёта. Если усвоение формул окажется затруднительным, можно выбирать параметры, предлагаемые каждой из программ. В качестве примера взгляните на результаты гидравлического расчёта в программе Excel.
Что такое гидравлический расчёт
Гидравлический расчёт - третий этап в процессе создания тепловой сети. Он представляет собой систему вычислений, позволяющих определить:
- Диаметр и пропускную способность труб.
- Местные потери давления на участках.
- Требования гидравлической увязки.
- Общесистемные потери давления.
- Оптимальный расход воды.
Основная цель гидравлического расчёта
Обеспечить совпадение расчётных расходов по элементам цепи с фактическими (эксплуатационными). Количество теплоносителя, поступающего в радиаторы, должно создать тепловой баланс внутри дома с учётом наружных температур и тех, что заданы пользователем для каждого помещения согласно его функциональному назначению (подвал +5º, спальня +18º и т.д.).Комплексные задачи по минимизации расходов:
- Капитальных (монтаж труб оптимального диаметра и качества);
- Эксплуатационных:
- зависимость энергозатрат от гидравлического сопротивления системы,
- стабильность и надёжность,
- бесшумность.
Замена централизованного режима теплоснабжения индивидуальным упрощает методику вычислений.
4 метода гидравлического расчёта автономной системы отопления:
- Удельных потерь (стандартный расчёт диаметра труб).
- По длинам, приведённым к одному эквиваленту.
- Методом характеристик проводимости и сопротивления.
- Сопоставлений динамических давлений.
Подготовка к гидравлическому расчёту
Нам потребуются данные, полученные на предыдущих этапах:
- Тепловой расчёт помещений.
- Аксонометрическая схема.
№ Расчётного участка
|
Тепловая нагрузка
|
Длина
|
|---|---|---|
1-2
| ||
2-3
| ||
3-4
и т.д.
|
Пошаговое описание гидравлического расчёта
Шаг I. Расчёт диаметра труб
В качестве исходных данных используются экономически обоснованные результаты теплового расчёта:
- Данные в зависимости от конфигурации системы:
- для однотрубной системы - Расход теплоносителя G, кг/час:
- для 2-хтрубной системы - Оптимальная разница между горячим (tг) и охлаждённым (tо) теплоносителем:
Δtco = 20°C.
Δtco = tr – to=90° – 70° = 20°C. - Оптимальная скорость движения теплоносителя: ν 0,3-0,7 м/с:
- Чем меньше внутренний диаметр труб, тем выше скорость.
- Достигая отметки 0,6 м/с, движение воды начинает сопровождаться шумом в системе.
- 3. Расчётная скорость теплопотока Q, Вт:
- выражает количество тепла (W, Дж), переданного в секунду (единицу времени τ):
- выражает количество тепла (W, Дж), переданного в секунду (единицу времени τ):
- Расчетная плотность воды ρ = 971,8 кг/м3 при tср = 80 °С.
- Параметры участков:
№ Расчётного участка
|
Длина участка, м
|
Число приборов N, шт.
|
|---|---|---|
1-2
|
1,78
|
1
|
2-3
|
2,60
|
1
|
3-4
|
2,80
|
2
|
4-5
|
2,80
|
2
|
5-6
|
2,80
|
4
|
6-7
|
2,80
| |
7-8
|
2,20
| |
8-9
|
6,10
|
1
|
9-10
|
0,50
|
1
|
10-11
|
0,50
|
1
|
11-12
|
0,20
|
1
|
12-13
|
0,10
|
1
|
13-14
|
0,30
|
1
|
14-15
|
1,00
|
1
|
- Скорости движения воды ν, с.
- Теплового потока Q, Вт.
- Расхода воды G, кг/час.
Ø 8
|
Ø 10
|
Ø 12
|
Ø 15
|
Ø 20
|
Ø 25
|
Ø 50
| ||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| V | Q | G | V | Q | G | V | Q | G | V | Q | G | V | Q | G | V | Q | G | V | Q | G |
| 0,3 | 1226 | 53 | 0,3 | 1916 | 82 | 0,3 | 2759 | 119 | 0,3 | 4311 | 185 | 0,3 | 7664 | 3330 | 0,3 | 11975 | 515 | 0,3 | 47901 | 2060 |
| 0,4 | 1635 | 70 | 0,4 | 2555 | 110 | 0,4 | 3679 | 158 | 0,4 | 5748 | 247 | 0,4 | 10219 | 439 | 0,4 | 15967 | 687 | 0,4 | 63968 | 2746 |
| 0,5 | 2044 | 88 | 0,5 | 3193 | 137 | 0,5 | 4598 | 198 | 0,5 | 7185 | 309 | 0,5 | 12774 | 549 | 0,5 | 19959 | 858 | 0,5 | 79835 | 3433 |
| 0,6 | 2453 | 105 | 0,6 | 3832 | 165 | 0,6 | 5518 | 237 | 0,6 | 8622 | 371 | 0,6 | 15328 | 659 | 0,6 | 23950 | 1030 | 0,6 | 95802 | 4120 |
| 0,7 | 2861 | 123 | 0,7 | 4471 | 192 | 0,7 | 6438 | 277 | 0,7 | 10059 | 433 | 0,7 | 17883 | 769 | 0,7 | 27942 | 1207 | 0,7 | 111768 | 4806 |
Пример для участка 3-4:
Подобрать диаметр трубы для отопления гостиной площадью 18 м², высота потолка 2,7 м.
Данные проекта:
Схема разводки - двухтрубная (подбор диаметра зависит от показателя Q, Вт).
Циркуляция - принудительная (насос).
Среднестатистические данные:
Расход мощности: 1 кВт на 30 м³
Запас тепловой мощности: 20%
Расчёт:
Объём помещения: 18 · 2,7 = 48,6 м³
Расход мощности: 48,6 : 30 = 1,62 кВт
Запас на случай морозов: 1,62 · 20% = 0,324 кВт
Итоговая мощность: 1,62 + 0,324 = 1,944 кВт
1. Находим в Таблице 3 значения Q наиболее близкое к 1944 Вт:
Ø 8
|
Ø 10
|
|
|---|---|---|
V
|
Q
|
Q
|
0,3
|
1916
| |
0,4
|
2044
|
2. Получаем интервал для внутренни-х диаметров: 8-10 мм
3. Результатом вычислений по всем помещениям станет сводная таблица допустимых диаметров:
Участок
|
Длина участка, м
|
Ø
|
|---|---|---|
1-2
|
1,78
| |
2-3
|
2,60
| |
3-4
|
2,80
|
8-10
|
4-5
|
2,80
| |
5-6
|
2,80
| |
6-7
|
2,80
| |
7-8
|
2,20
| |
8-9
|
6,10
| |
9-10
|
0,50
| |
10-11
|
0,50
| |
11-12
|
0,20
| |
12-13
|
0,10
| |
13-14
|
0,30
| |
14-15
|
1,00
|
Чтобы определиться с материалом для труб, необходимо сравнить показатели сопротивления на всех участках отопительной системы.
Факторы возникновения сопротивления
- В самой трубе:
- шероховатость,
- место сужения/расширения диаметра,
- поворот,
- протяжённость.
- В соединениях:
- тройник,
- шаровой кран,
- приборы балансировки.
- На вертикальных участках:
- гравитационное сопротивление.
Шаг II. Вычисление местных сопротивлений
Расчетным участком является труба постоянного диаметра с неизменным расходом воды, соответствующим проектному тепловому балансу помещения. Для определения потерь берутся данные с учётом сопротивления в регулирующей арматуре:
- Длина трубы на расчётном участке/l,м.
- Диаметр трубы расчётного участка/d,мм.
- Принятая скорость теплоносителя/ν, м/с.
- Справочные данные:
- коэффициент трения/λ;
- потери на трение/∆Рl, , Па;
- другие местные потери/∆РМ, , Па;
- все местные сопротивления/Σξ;
- расчетная плотность жидкости/ρ = 971,8 кг/м3.
- Мехнические характеристики изделия:
- толщина стенки трубы/dн×δ, мм,
- эквивалентная шероховатость трубы/kэ мм.
Чтобы самостоятельно определить удельные потери на трение/R, Па/м, достаточно знать наружный d трубы, толщину стенки/dн×δ, мм и скорость подачи воды/V, м/с (или расход воды/G, кг/ч).
Гидравлический расчёт местных сопротивлений
Для поиска гидросопротивления/ΔP в одном участке сети подставляем данные в формулу Дарси-Вейсбаха:
где:
V - средняя скорость течения жидкости, м/с,
ν - кинематическая вязкости, м2/с,
Rг - гидравлический радиус (для круглой трубы Rг = d/4),
d - диаметр трубы, м
Шаг III. Гидравлическая увязка
Для балансировки перепадов давления на участках должна быть установлена запорная и регулирующая арматура. В гидравлическом расчёте для каждого клапана задаются установочные характеристики (крепление, перепад давления, пропускная способность):
 |
| Фрагмент заводских характеристик поворотного затвора |
Исходные данные:
- проектная нагрузка (массовый расход теплоносителя);
- технические характеристики арматуры;
- данные производителей труб по удельному динамическому сопротивлению/А, Па/(кг/ч)²;
- количество местных сопротивлений на участке.
Цель:
Выравнивание гидравлических потерь в сети.
Задача:
Рассчитать номинальную величину потерь давления в трубопроводе - своего рода константу согласования. Все дальнейшие расчёты по уровню давления в периферийных сегментах будут привязаны к ней.Воспользуемся методом расчёта характеристик сопротивления S,Па/(кг/ч)²
Потери давления/∆P, Па прямо пропорциональны квадрату расхода воды по участку/G, кг/ч:
, где:
ξпр - приведенный коэффициент для местных сопротивлений участка;
А - динамическое удельное давление, Па/(кг/ч)².
Удельным считается динамическое давление, возникающее при массовом расходе 1 кг/ч теплоносителя в трубе заданного диаметра (информация предоставляется производителем).
Σξ - слагаемое коэффициентов по местным сопротивлениям в участке.
Приведенный коэффициент:
Итоги:
- По характеристикам сопротивления определяют коэффициенты затекания в каждый стояк и далее - в каждый прибор.
- При наладке запорно-регулирующей арматуры поправка на эти коэффициенты соблюдается неукоснительно.
- Только тогда батареи прогреваются равномерно, система отопления работает стабильно, а котёл - с оптимальной нагрузкой.
Шаг IV. Определение гидравлических потерь в системе
Гидравлическое сопротивление в главном циркуляционном кольце представлено суммой потерь его элементов:
- первичного контура/ΔPIк ,
- местных систем/ΔPм,
- теплогенератора/ΔPтг,
- теплообменника/ΔPто.
Сумма величин даёт нам гидравлическое сопротивление системы отопления/ΔPсо:
Программы гидравлического расчёта систем отопления
Для удобства расчётов применяются любительские и профессиональные программы. Самой популярной является Excel. Можно воспользоваться онлайн-расчётом в Excel Online, CombiMix 1.0, или онлайн-калькулятором гидравлического расчёта. Профессиональную программу подбирают с учётом требований проекта. Главная трудность в работе с такими программами - незнание основ гидравлики. В некоторых из них:
- отсутствуют расшифровки формул,
- не рассматриваются варианты:
- разветвления трубопроводов,
- вычисления сопротивлений в сложных цепях.
Особенности программ:
- HERZ C.O. 3.5 производит расчёт по методу удельных линейных потерь давления.
- Программы DanfossCO и OvertopCO умеют считать системы с естественной циркуляцией.
- «Поток» (Potok) - позволяет применять метод расчёта с переменным (скользящим) перепадом температур по стоякам.
Как сделать гидравлический расчёт в EXCEL
Использование таблиц Excel очень удобно, поскольку результаты гидравлического расчёта всегда сводятся к табличной форме. Достаточно определить последовательность действий и подготовить точные формулы.
Пример результатов расчёта местных сопротивлений:
Пример несложного гидравлического расчёта в программе Excel для горизонтального участка трубопровода (автор Александр Воробьёв)
Исходные данные:
длина трубы 100 метров,
ø108 мм,
толщина стенки 4 мм.
Шаг I. Ввод исходных данных
Выбирается ячейка и вводится величина. Вся остальная информация принимается к сведению.
ячейка
|
величина
|
Значение/Обозначение, единица выражения
|
|---|---|---|
D4
|
45,000
|
Расход воды/G, т/час
|
D5
|
95,0
|
Температура на входе/tвх ,°C
|
D6
|
70,0
|
Температура на выходе/tвых ,°C
|
D7
|
100,0
|
Внутренний диаметр/d, мм
|
D8
|
100,000
|
Длина/L, м
|
D9
|
1,000
|
Эквивалентная шероховатость труб/∆, мм
|
D10
|
1,89
|
Сумма коэффициентов местных сопротивлений/Σ(ξ)
|
Значение D9 берётся из справочника.
Значение D10 характеризует сумму из 8-ми сопротивлений по всем сварным швам: в этом примере 8 швов соединяют 9 труб.
Шаг II. Ход расчетов по формулам теоретической гидравлики
Выбирается ячейка и вводится алгоритм:
ячейка
|
алгоритм
|
формула
|
результат
|
значение результата
|
|---|---|---|---|---|
D12
|
= (D5 + D6)/2 |
tср=(tвх+tвых)/2 |
82,5 |
Средняя температура воды tср в °C |
D13
|
=0,0178/(1+0,0337*D12+0,000221*D12^2) |
n=0,0178/(1+0,0337*tср+0,000221*tср²) |
0,003368 |
Кинематический коэффициент вязкости воды - n, cм²/с при tср |
D14
|
=(-0,003*D12^2-0,1511*D12+1003,1)/1000 |
ρ=(-0,003*tср²-0,1511*tср+1003, 1)/1000 |
0,970 |
Средняя плотность воды ρ,т/м³ при tср |
D15
|
=D4/D14/60*1000 |
G’=G*1000/(ρ*60) |
773,024 |
Расход воды G’, л/мин |
D16
|
=4*D4/D14/ПИ()/(D7/1000)^2/3600 |
v=4*G:(ρ*π*(d:1000)2*3600) 1,640 |
1,640 |
Скорость воды v, м/с |
D17
|
=D16*D7/D13*10 |
Re=v*d*10/n |
487001,4 |
Число Рейнольдса, Re |
D18
|
=ЕСЛИ(D17<=2320;64/D17;ЕСЛИ(D17<=4000; 0,0000147*D17;0,11* (68/D17+D9/D7)^0,25)) |
λ=64/Re при Re≤2320
λ=0,0000147*Re при 2320≤Re≤4000
λ=0,11*(68/Re+∆/d)0,25 при Re≥4000
|
0,035 |
Коэффициент гидравлического трения λ |
D19
|
=D18*D16^2*D14/2/9,81/D7*100 |
R=λ*v2*ρ*100/(2*9,81*d) |
0,004645 |
Удельные потери давления на трение R, кг/(cм²*м) |
D20
|
=D19*D8 |
dPтр=R*L |
0,464485 |
Потери давления на трение dPтр, кг/cм² |
D21
|
=D20*9,81*10000 |
dPтр=dPтр*9,81*10000 |
45655,9 |
и Па соответственно
D20
|
D22
|
=D10*D16^2*D14*1000/2/9,81/10000 |
dPмс=Σ(ξ)*v2*ρ/(2*9,81*10)
|
0,025150 |
Потери давления в местных сопротивлениях dPмс в кг/cм² |
D23
|
=D22*9,81*10000 |
dPтр=dPмс*9,81*10000 |
2467,2 |
и Па соответственно D22 |
D24
|
=D20+D22 |
dP=dPтр+dPмс |
0,489634 |
Расчетные потери давления dP, кг/cм² |
D25
|
=D24*9,81*10000 |
dP=dP*9,81*10000 |
48033,1 |
и Па соответственно D24 |
D26
|
=D25/D4^2 |
S=dP/G² |
23,720 |
Характеристика сопротивления S, Па/(т/ч)² |
Пояснения:Для трубопроводов с перепадом высот входа и выхода к результатам добавляется статическое давление из расчёта 1 кг/см² на 10 м.
Значение D15 пересчитывается в литрах, так легче воспринимать величину расхода.
Ячейка D16 - добавляем форматирование по условию: «Если v не попадает в диапазон 0,25…1,5 м/с, то фон ячейки красный/шрифт белый».
Шаг III. Оформление результатов
Авторское цветовое решение несёт функциональную нагрузку:
- Светло-бирюзовые ячейки содержат исходные данные. Их можно менять.
- Бледно-зелёные ячейки - вводимые константы или данные, мало подверженные изменениям.
- Жёлтые ячейки - вспомогательные предварительные расчёты.
- Светло-жёлтые ячейки - результаты расчётов.
Шрифты:
- Синий - исходные данные.
- Чёрный - промежуточные/неглавные результаты.
- Красный - главные и окончательные результаты гидравлического расчёта.
Усложняя шаг за шагом варианты вычислений в программе Excel, Вы твёрже усвоите теорию и частично сэкономите на проектных работах. Благодаря грамотному гидравлическому расчёту Ваша система отопления станет оптимальной по затратам и теплоотдаче.
Комментариев нет:
Отправить комментарий