Гидравлический расчет однотрубной и двухтрубной системы отопления с формулами, таблицами и примерами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Гидравлический расчет однотрубной и двухтрубной системы отопления с формулами, таблицами и примерами



Экономичность теплового комфорта в доме обеспечивают расчет гидравлики, её качественный монтаж и правильная эксплуатация. Главные компоненты отопительной системы -- источник тепла (котёл), тепловая магистраль (трубы) и приборы теплоотдачи (радиаторы). Для эффективного теплоснабжения необходимо сохранить первоначальные параметры системы при любых нагрузках независимо от времени года. 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. гидравлический однотрубный отопление

Если водяное отопление признаётся оптимальным вариантом, выполняется гидравлический расчёт.

Для расчёта гидравлики с помощью программ требуется знакомство с теорией и законами сопротивления. Если приведенные ниже формулы покажутся вам сложными для понимания, можно выбрать параметры, которые мы предлагаем в каждой из программ.

Расчёты проводились в программе Excel. Готовый результат можно посмотреть в конце инструкции.

В этой статье:

1 Что такое гидравлический расчёт

2 Расчет гидравлики системы отопления

2.1 Шаг 1: считаем диаметр труб

2.1.1 Пример

2.2 Шаг 2: вычисление местных сопротивлений

2.3 Шаг 3: гидравлическая увязка

2.4 Шаг 4: определение потерь

3 Обзор программ

4 Как работать в EXCEL

4.1 Ввод исходных данных

4.2 Формулы и алгоритмы

4.3 Оформление результатов

4.4 Пример от Александра Воробьёва

Что такое гидравлический расчёт

Это 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.

Согласно полученным данным осуществляют подбор насосов.

Для сезонного жилья, при отсутствии в нём электричества, подойдёт система отопления с естественной циркуляцией теплоносителя (ссылка на обзор).

Основная цель гидравлического расчёта -- обеспечить совпадение расчётных расходов по элементам цепи с фактическими (эксплуатационными) расходами. 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 +5, спальня +18 и т.д.).

Комплексные задачи -- минимизация 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

Для автономного режима применимы 4 метода гидравлического расчёта системы отопления:

по удельным потерям (стандартный расчёт диаметра труб);

по длинам, приведённым к одному эквиваленту;

по характеристикам проводимости и сопротивления;

сопоставление динамических давлений.

Два первых метода используются при неизменном перепаде температуры в сети.

Два последних помогут распределить горячую воду по кольцам системы, если перепад температуры в сети перестанет соответствовать перепаду в стояках/ответвлениях.

Расчет гидравлики системы отопления

Нам потребуются данные теплового расчёта помещений и аксонометрической схемы.

Аксонометрическая схема

Вынесите данные в эту таблицу:

№ расчётного участка	Тепловая нагрузка	Длина
записать	записать	записать

Шаг 1: считаем диаметр труб

В качестве исходных данных используются экономически обоснованные результаты теплового расчёта:

1а. Оптимальная разница между горячим (tг) и охлаждённым( tо) теплоносителем для двухтрубной системы - 20є

Дtco=tг- tо=90є-70є=20єС

1б. Расход теплоносителя G, кг/час -- для однотрубной системы.

2. Оптимальная скорость движения теплоносителя - н 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 ф):

Формула для расчёта скорости теплопотока

4. Расчетная плотность воды: с = 971,8 кг/м3 при tср = 80 °С

5. Параметры участков:

Участок	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	0.5	1
10 - 11	0.5	1
11 - 12	0.2	1
12 - 13	0.1	1
13 - 14	0.3	1
14 - 15	1.00	1

Для определения внутреннего диаметра по каждому участку удобно пользоваться таблицей.

Расшифровка сокращений:

зависимость скорости движения воды -- н, с

теплового потока -- Q, Вт

расхода воды G, кг/час от внутреннего диаметра труб

Пример

Задача: подобрать диаметр трубы для отопления гостиной площадью 18 мІ, высота потолка 2,7 м.

Данные проекта:

двухтрубная схема разводки;

циркуляция -- принудительная (насос).

Среднестатистические данные:

расход мощности - 1 кВт на 30 мі

запас тепловой мощности - 20%

Расчёт:

объём помещения: 18 * 2,7 = 48,6 мі

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

Находим в таблице наиболее близкое значения Q:

Получаем интервал внутреннего диаметра: 8-10 мм. Участок: 3-4. Длина участка: 2.8 метров.

Шаг 2: вычисление местных сопротивлений

Чтобы определиться с материалом труб, необходимо сравнить показатели их гидравлического сопротивления на всех участках отопительной системы.

Факторы возникновения сопротивления:

Трубы для отопления

в самой трубе:

шероховатость;

место сужения/расширения диаметра;

поворот;

протяжённость.

в соединениях:

тройник;

шаровой кран;

приборы балансировки.

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/u, м/с;

данные регулирующей арматуры от производителя;

справочные данные:

коэффициент трения/л;

потери на трение/?Рl, Па;

расчетная плотность жидкости/с = 971,8 кг/м3;

технические характеристики изделия:

эквивалентная шероховатость трубы/kэ мм;

толщина стенки трубы/dнЧд, мм.

Для материалов со сходными значениями kэ производители предоставляют значение удельных потерь давления R, Па/м по всему сортаменту труб.

Чтобы самостоятельно определить удельные потери на трение/R, Па/м, достаточно знать наружный d трубы, толщину стенки/dнЧд, мм и скорость подачи воды/W, м/с (или расход воды/G, кг/ч).

Для поиска гидросопротивления/ДP в одном участке сети подставляем данные в формулу Дарси-Вейсбаха: Для стальных и полимерных труб (из полипропилена, полиэтилена, стекловолокна и т.д.) коэффициент трения/ л наиболее точно вычисляется по формуле Альтшуля: Re -- число Рейнольдса, находится по упрощённой формуле (Re=v*d/н) или с помощью онлайн-калькулятора:

Шаг 3: гидравлическая увязка

Для балансировки перепадов давления понадобится запорная и регулирующая арматура.

Исходные данные:

проектная нагрузка (массовый расход теплоносителя -- воды или низкозамерзающей жидкости для систем отопления);

данные производителей труб по удельному динамическому сопротивлению/А, Па/(кг/ч)І;

технические характеристики арматуры.

количество местных сопротивлений на участке.

Задача: выровнять гидравлические потери в сети.

В гидравлическом расчёте для каждого клапана задаются установочные характеристики (крепление, перепад давления, пропускная способность). По характеристикам сопротивления определяют коэффициенты затекания в каждый стояк и далее -- в каждый прибор.

Фрагмент заводских характеристик поворотного затвора

Выберем для вычислений метод характеристик сопротивления S,Па/(кг/ч)І.

Потери давления/?P, Па прямо пропорциональны квадрату расхода воды по участку/G, кг/ч: В физическом смысле S -- это потери давления на 1 кг/ч теплоносителя: где: опр -- приведенный коэффициент для местных сопротивлений участка; А -- динамическое удельное давление, Па/(кг/ч)І.

Удельным считается динамическое давление, возникающее при массовом расходе 1 кг/ч теплоносителя в трубе заданного диаметра (информация предоставляется производителем).

Уо -- слагаемое коэффициентов по местным сопротивлениям в участке.

Приведенный коэффициент: Он суммирует все местные сопротивления: С величиной: которая соответствует коэффициенту местного сопротивления с учётом потерь от гидравлического трения.

Шаг 4: определение потерь

Гидравлическое сопротивление в главном циркуляционном кольце представлено суммой потерь его элементов:

первичного контура/ДPIк ;

местных систем/ДPм;

теплогенератора/ДPтг;

теплообменника/ДPто.

Сумма величин даёт нам гидравлическое сопротивление системы/ДPсо:

Обзор программ

Для удобства расчётов применяются любительские и профессиональные программы вычисления гидравлики.

Самой популярной является Excel.

Можно воспользоваться онлайн-расчётом в Excel Online, CombiMix 1.0, или онлайн-калькулятором гидравлического расчёта. Стационарную 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 особенности разветвления трубопроводов и вычисления сопротивлений в сложных цепях.

Особенности программ:

HERZ C.O. 3.5 - производит расчёт по методу удельных линейных потерь давления.

DanfossCO и OvertopCO - умеют считать системы с естественной циркуляцией.

«Поток» (Potok) -- позволяет применять метод расчёта с переменным (скользящим) перепадом температур по стоякам.

Следует уточнять параметры ввода данных по температуре -- по Кельвину/по Цельсию.

Как работать в EXCEL

Использование таблиц Excel очень удобно, поскольку результаты гидравлического расчёта всегда сводятся к табличной форме. Достаточно определить последовательность действий и подготовить точные формулы.

Ввод исходных данных

Выбирается ячейка и вводится величина. Вся остальная информация просто принимается к сведению.

Ячейка	Величина	Значение, обозначение, единица выражения
D4	45,000	Расход воды G в т/час
D5	95,0	Температура на входе tвх в °C
D6	70,0	Температура на выходе tвых в °C
D7	100,0	Внутренний диаметр d, мм
D8	100,000	Длина, L в м
D9	1,000	Эквивалентная шероховатость труб ? в мм
D10	1,89	Сумма коэф. местных сопротивлений - У(о)

Пояснения:

значение в D9 берётся из справочника;

значение в D10 характеризует сопротивления в местах сварных швов.

Формулы и алгоритмы

Выбираем ячейки и вводим алгоритм, а также формулы теоретической гидравлики.

Ячейка	Алгоритм	Формула	Результат	Значение результата
D12	!ERROR! D5 does not contain a number or expression	tср=(tвх+tвых)/2	82,5	Средняя температура воды tср в °C
D13	!ERROR! D12 does not contain a number or expression	n=0,0178/(1+0,0337*tср+0,000221*tср2)	0,003368	Кинематический коэф. вязкости воды - n, cм2/с при tср
D14	!ERROR! D12 does not contain a number or expression	с=(-0,003*tср2-0,1511*tср+1003, 1)/1000	0,970	Средняя плотность воды с,т/м3 при tср
D15	!ERROR! D4 does not contain a number or expression	G'=G*1000/(с*60)	773,024	Расход воды G', л/мин
D16	!ERROR! D4 does not contain a number or expression	v=4*G:(с*р*(d:1000)2*3600)	1,640	Скорость воды v, м/с
D17	!ERROR! D16 does not contain a number or expression	Re=v*d*10/n	487001,4	Число Рейнольдса Re
D18	!ERROR! Cell D17 does not exist	л=64/Re при Re?2320 л=0,0000147*Re при 2320?Re?4000 л=0,11*(68/Re+?/d)0,25 при Re?4000	0,035	Коэффициент гидравлического трения л
D19	!ERROR! Cell D18 does not exist	R=л*v2*с*100/(2*9,81*d)	0,004645	Удельные потери давления на трение R, кг/(см2*м)
D20	!ERROR! Cell D19 does not exist	dPтр=R*L	0,464485	Потери давления на трение dPтр, кг/см2
D21	!ERROR! Cell D20 does not exist	dPтр=dPтр*9,81*10000	45565,9	и Па соответственно D20
D22	!ERROR! D10 does not contain a number or expression	dPмс=У(о)*v2*с/(2*9,81*10)	0,025150	Потери давления в местных сопротивлениях dPмс в кг/см2
D23	!ERROR! Cell D22 does not exist	dPтр=dPмс*9,81*10000	2467,2	и Па соответственно D22
D24	!ERROR! Cell D20 does not exist	dP=dPтр+dPмс	0,489634	Расчетные потери давления dP, кг/см2
D25	!ERROR! Cell D24 does not exist	dP=dP*9,81*10000	48033,1	и Па соответственно D24
D26	!ERROR! Cell D25 does not exist	S=dP/G2	23,720	Характеристика сопротивления S, Па/(т/ч)2

Пояснения:

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».

Для трубопроводов с перепадом высот входа и выхода к результатам добавляется статическое давление: 1 кг/см2 на 10 м.

Оформление результатов

Авторское цветовое решение несёт функциональную нагрузку:

Светло-бирюзовые ячейки содержат исходные данные - их можно менять.

Бледно-зелёные ячейка -- 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.



Результаты в таблице Эксель

Пример от Александра Воробьёва

Пример несложного гидравлического расчёта в программе Excel для горизонтального участка трубопровода.

Исходные данные:

длина трубы100 метров;

ш108 мм;

толщина стенки 4 мм.



Таблица результатов расчёта местных сопротивлений

Усложняя шаг за шагом расчёты в программе Excel, вы лучше осваиваете теорию и частично экономите на проектных работах. Благодаря грамотному подходу, ваша система отопления станет оптимальной по затратам и теплоотдаче.

Размещено на Allbest.ru

...