24artstroy.ru

Строительный журнал
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Как сделать гидравлический расчет системы отопления

Как сделать гидравлический расчет системы отопления

Нужно отметить, что инженерные расчеты систем водоснабжения и отопления никак нельзя назвать простыми, но без них обойтись невозможно, только очень опытный специалист-практик может нарисовать систему отопления «на глазок» и безошибочно подобрать диаметры труб. Это если схема достаточно проста и предназначена для обогрева небольшого дома высотой 1 или 2 этажа. А когда речь идет о сложных двухтрубных системах, то рассчитывать их все равно придется. Эта статья для тех, кто решился самостоятельно выполнить расчет системы отопления частного дома. Мы изложим методику несколько упрощенно, но так, чтобы получить максимально точные результаты.

Что такое гидравлический расчет

Гидравлический расчет делают только для крупных контуров обогрева.

Принцип работы водяной системы отопления заключается в том, что по трубам и батареям циркулирует теплоноситель. Это жидкость (вода или антифриз) которая нагревается в котле и потом прогоняется по всему контуру циркуляционным насосом или благодаря силе гравитации.

Теплоноситель во время циркуляции встречает гидравлическое сопротивление. Кроме этого, жидкость немного останавливается из-за трения об стенки труб. Гидравлический расчет систем отопления выполняется для того, чтобы вычислить оптимальное значение сопротивления контура, при котором скорость теплоносителя будет в пределах нормы (2-3 м/с для герметичного контура). По заключению вычислений мы узнаем следующие ключевые параметры:

  • диаметр труб для контура;
  • мощность циркуляционного насоса;
  • количество оборотов для регулировки балансировочных клапанов на каждом радиаторе.

Независимо от того где выполнялся гидравлический расчет системы отопления, на онлайн калькуляторе или в Excel, его пользу сложно переоценить. Так как одним выстрелом мы убиваем двух зайцев: контур работает, как часы и нет перерасхода средств, ведь мы точно будем знать оптимальные параметры элементов системы.

Гидравлический расчет нужно делать только для больших систем отопления, которые обогревают дома с площадью от 200 м. кв. Для маленьких контуров это необязательно.

Специалисты делают гидравлический расчет системы отопления в Excel таблице. Это очень сложный процесс, который под силу далеко не всем людям с профильным образованием, не говоря уже о дилетантах. Нужно разбираться в теплотехнике, гидравлике, знать основы монтажа и многое другое. Получить эти знания можно только в высшем учебном заведении. Есть специализированные программы для гидравлического расчета системы отопления. Но опять же работать с ними могут только люди, имеющие профильное образование.

Виды систем отопления

Задачи инженерных расчётов такого рода осложняются высоким разнообразием систем отопления, как с точки зрения масштабности, так и в плане конфигурации. Различают несколько видов отопительных развязок, в каждой из которых действуют свои закономерности:

1. Двухтрубная тупиковая система — наиболее распространённый вариант устройства, неплохо подходящий для организации как центральных, так и индивидуальных контуров обогрева.

Двухтрубная тупиковая система отопления

2. Однотрубная система или «Ленинградка» считается лучшим способом устройства гражданских отопительных комплексов тепловой мощностью до 30–35 кВт.

Однотрубная система отопления с принудительной циркуляцией: 1 — котёл отопления; 2 — группа безопасности; 3 — радиаторы отопления; 4 — кран Маевского; 5 — расширительный бак; 6 — циркуляционный насос; 7 — слив

3. Двухтрубная система попутного типа — наиболее материалоёмкий вид развязки отопительных контуров, отличающийся при этом наивысшей из известных стабильностью работы и качеством распределения теплоносителя.

Двухтрубная попутная система отопления (петля Тихельмана)

4. Лучевая разводка во многом схожа с двухтрубной попуткой, но при этом все органы управления системой вынесены в одну точку — на коллекторный узел.

Лучевая схема отопления: 1 — котёл; 2 — расширительный бак; 3 — коллектор подачи; 4 — радиаторы отопления; 5 — коллектор обратки; 6 — циркуляционный насос

Прежде чем приступить к прикладной стороне расчётов, нужно сделать пару важных предупреждений. В первую очередь нужно усвоить, что ключ к качественному расчёту лежит в понимании принципов работы жидкостных систем на интуитивном уровне. Без этого рассмотрение каждой отдельно взятой развязки превращается в переплетение сложных математических выкладок. Второе — практическая невозможность изложить в рамках одного обзора больше, чем базовые понятия, за более подробными разъяснениями лучше обратиться к такой литературе по расчёту отопительных систем:

  • Пырков В. В. «Гидравлическое регулирование систем отопления и охлаждения. Теория и практика» 2-е издание, 2010 г.
  • Р. Яушовец «Гидравлика — сердце водяного отопления».
  • Пособие «Гидравлика котельных» от компании De Dietrich.
  • А. Савельев «Отопление дома. Расчёт и монтаж систем».

Цели гидравлического расчета

Цели гидравлического расчета заключаются в следующем:

  1. Подобрать оптимальные диаметры трубопроводов.
  2. Увязать давления в отдельных ветвях сети.
  3. Выбрать циркуляционный насос для системы отопления.

Раскроем подробнее каждый из этих пунктов.

1. Подбор диаметров трубопроводов

Чем меньше диаметр трубопровода, тем больше сопротивление оказывается потоку теплоносителя из-за трения о стенки трубопровода и местных сопротивлений на поворотах и ответвлениях. Поэтому для малых расходов, как правило, берутся малые диаметры трубопроводов, для больших расходов, соответственно, большие диаметры, за счёт чего можно ограниченно отрегулировать систему.

Если система разветвлённая – есть короткая и длинная ветка, то на длинной ветке идёт большой расход, а на короткой — меньший. В этом случае короткая ветка должна выполняться из труб меньших диаметров, а длинная ветка должна выполняться из труб большего диаметра.

Читать еще:  Как заклеить пластиковую трубу отопления?

И, по мере уменьшения расхода, от начала к концу ветки диаметры труб должны уменьшаться так, чтобы скорость теплоносителя была примерно одинакова.

2. Увязка давлений в отдельных ветвях сети

Увязка может производиться подбором соответствующих диаметров труб или, если возможности этого способа исчерпаны, то за счёт установки регуляторов расхода давления или регулировочных вентилей на отдельных ветвях.

Частично мы, как это описано выше, можем увязать давление с помощью подбора диаметров трубопроводов. Но не всегда это удаётся сделать. Например, если берём самый маленький диаметр трубопровода на короткой ветке, а сопротивление в нём все равно недостаточно большое, тогда весь поток воды будет идти через короткую ветку, не заходя в длинную. В этом случае требуется дополнительная регулировочная арматура.

Регулировочная арматура может быть разной.

Бюджетный вариант — ставим регулировочный вентиль — т.е. вентиль с плавной регулировкой, который имеет градацию в настройке. Каждый вентиль имеет свою характеристику. При гидравлическом расчёте проектировщик смотрит, какое давление необходимо погасить, и определяется так называемая невязка давлений между длинной и короткой ветками. Тогда по характеристике вентиля проектировщик определяет, на сколько оборотов этот вентиль, от полностью закрытого положения, надо будет открыть. Например, на 1, на 1.5 или на 2 оборота. В зависимости от степени открытия вентиля будет добавляться разное сопротивление.

Более дорогой и сложный вариант регулировочной арматуры — т.н. регуляторы давления и регуляторы расхода. Это устройства, на которых мы задаём необходимый расход или необходимый перепад давлений, т.е. падение давлений на этой ветке. В этом случае устройства сами контролируют работу системы и, если расход не соответствует требуемому уровню, то они открывают сечение, и расход увеличивается. Если расход слишком большой, то сечение перекрывается. Аналогично происходит и с давлением.

Если все потребители после ночного понижения теплоотдачи одновременно открыли утром свои отопительные приборы, то теплоноситель попытается, в первую очередь, поступать в ближние к тепловому пункту приборы, а до дальних дойдет спустя часы. Тогда сработает регулятор давления, прикрывая ближайшие ветки и, тем самым, обеспечит равномерное поступление теплоносителя во все ветки.

3. Подбор циркуляционного насоса по давлению (напору) и по расходу (подаче)

Расчетные потери давления в главном циркуляционном кольце (с небольшим запасом) определят напор для циркуляционного насоса. А расчетный расход насоса – это суммарный расход теплоносителя по всем ветвям системы. Насос подбирается по напору и по расходу.

Если в системе стоит несколько циркуляционных насосов, то в случае их последовательного монтажа у них суммируется напор, а расход будет общим. Если насосы работают параллельно, то у них суммируется расход, а напор будет одинаковым.

Важно: Определив в ходе гидравлического расчёта потери давления в системе, можно выбрать циркуляционный насос, который оптимально будет соответствовать параметрам системы, обеспечивая оптимум затрат – капитальных (стоимость насоса) и эксплуатационных (стоимость электроэнергии на циркуляцию).

Потери напора и давления

Расчёт параметров по описанным выше соотношениям был бы достаточен для идеальных моделей. В реальной жизни и объёмный поток, и скорость теплоносителя всегда будут отличаться от расчётных в разных точках системы. Причина тому — гидродинамическое сопротивление движению теплоносителя. Оно обусловлено рядом факторов:

  1. Силами трения теплоносителя о стенки труб.
  2. Местными сопротивлениями протоку, образуемыми фитингами, кранами, фильтрами, термостатирующими клапанами и прочей арматурой.
  3. Наличием разветвлений присоединительного и ответвительного типов.
  4. Турбулентными завихрениями на поворотах, сужениях, расширениях и т. д.

Задача нахождения падения давления и скорости на разных участках системы по праву считается наиболее сложной, она лежит в области расчётов гидродинамических сред. Так, силы трения жидкости о внутренние поверхности трубы описываются логарифмической функцией, учитывающей шероховатость материала и кинематическую вязкость. С расчётами турбулентных завихрений всё ещё сложнее: малейшее изменение профиля и формы канала делает каждую отдельно взятую ситуацию уникальной. Для облегчения расчётов вводится два опорных коэффициента:

  1. Кvs — характеризующий пропускную способность труб, радиаторов, разделителей и прочих участков, приближенных к линейным.
  2. Кмс — определяющий местные сопротивления в различной арматуре.

Эти коэффициенты указываются производителями труб, клапанов, кранов, фильтров для каждого отдельно взятого изделия. Пользоваться коэффициентами достаточно легко: для определения потери напора Кмс умножают на отношение квадрата скорости движения теплоносителя к двойному значению ускорения свободного падения:

Δhмс = Кмс (V 2 /2g) или Δpмс = Кмс (ρV 2 /2)

  • Δhмс — потери напора на местных сопротивлениях, м
  • Δpмс — потери напора на местных сопротивлениях, Па
  • Кмс — коэффициент местного сопротивления
  • g — ускорение свободного падения, 9,8 м/с 2
  • ρ — плотность теплоносителя, для воды 1000 кг/м 3

Потеря напора на линейных участках представляет собой отношение пропускной способности канала к известному коэффициенту пропускной способности, причём результат деления нужно возвести во вторую степень:

Р = (G/Kvs) 2

  • Р — потеря напора, бар
  • G — фактический расход теплоносителя, м 3 /час
  • Kvs — пропускная способность, м 3 /час

Порядок расчета гидравлических параметров отопления

На первом этапе вычисления параметров системы отопления следует составить предварительную схему, на которой указывается расположение всех компонентов. Таким образом определяется общая протяженность магистралей, рассчитывается количество радиаторов, объем воды, а также характеристики отопительных приборов.

Читать еще:  Как подобрать мембранный расширительный бак для отопления?

Как сделать гидравлический расчет отопления, не имея опыта подобных вычислений? Следует помнить, что для автономного теплоснабжения важно правильно подобрать диаметр труб. Именно с выполнения этого этапа и следует начать вычисления.

Лучше всего сделать схему отопления на уже готовом плане дома. Это позволит правильно рассчитать расход материала и определиться с его количеством для обустройства системы.

Определение оптимального диаметра труб

Самый упрощенный гидравлический расчет системы отопления включает в себя только вычисление сечения трубопроводов. Нередко при проектировании небольших систем обходятся и без него. Для этого берут следующие параметры диаметров труб в зависимости от типа теплоснабжения:

  • Открытая схема с гравитационной циркуляцией. Трубы диаметром от 30 до 40 мм. Такое большего сечение необходимо для уменьшения потерь при трении воды о внутреннюю поверхность магистралей;
  • Закрытая система с принудительной циркуляцией. Сечение трубопроводов варьируется от 8 до 24 мм. Чем оно меньше, тем больше давление будет в системе и соответственно – уменьшится общий объем теплоносителя. Но при этом возрастут гидравлические потери.

Если в наличии есть специализированная программа для гидравлического расчета системы отопления – достаточно заполнить данные о технических характеристиках котла и перенести отопительную схему. Программный комплект определит оптимальный диаметр труб.

Полученные данные можно проверить самостоятельно. Порядок выполнения гидравлического расчета двухтрубной системы отопления вручную при вычислении диаметра трубопроводов заключается в вычислении следующих параметров:

  • V – скорость движения воды. Она должна быть в пределах от 0,3- до 0,6 м/с. Определятся производительностью насосного оборудования;
  • Q – тепловой поток. Это отношение количества тепла, проходящего за определенный промежуток времени – 1 секунду;
  • G – расход воды. Измеряется в кг/час. Напрямую зависит от диаметра трубопровода.

В дальнейшем для выполнения гидравлического расчета систем водяного отопления понадобиться узнать общий объем отапливаемого помещения – м³. Предположим, что это значение для одной комнаты равно 50 м³. Зная мощность котла отопления (24 кВт) вычисляем итоговый тепловой поток:

Q=50/24=2,083 кВт

Затем для выбора оптимального диаметра труб нужно воспользоваться данными таблицы, составленными при выполнении гидравлического расчета системы отопления в Excel.

В этом случае оптимальный внутренний диаметр трубы на конкретном участке системы составит 10 мм.

В дальнейшем для выполнения примера гидравлического расчета системы отопления можно узнать ориентировочный расход воды, который засвистит от диаметра трубы.

Производители полимерных труб указывают внешний диаметр. Поэтому для корректного расчета гидравлического сопротивления системы отопления следует отнять две толщины стенки магистралей.

Учет местных сопротивлений в магистрали

Не менее важным этапом является расчет гидравлического сопротивления отопительной системы на каждом участке магистрали. Для этого вся схема теплоснабжения условно разделяется на несколько зон. Лучше всего сделать вычисления для каждой комнаты в доме.

В качестве исходных данных для внесения в программу для гидравлического расчета системы отопления понадобятся следующие величины:

  • Протяженность трубы на участке, м.п;
  • Диаметр магистрали. Порядок вычислений описан выше;
  • Требуемая скорость теплоносителя. Также зависит от диаметра трубы и мощности циркуляционного насоса;
  • Справочные данные, характерные для каждого типа материала изготовления – коэффициент трения (λ), потери на трении (ΔР);
  • Плотность воды при температуре +80°С составит 971,8 кг/м³.

При проведении этой работы нужно помнить, что чем меньше выбранный участок отопления, тем точнее будут данные общих параметров системы. Так как сделать гидравлический расчет теплоснабжения с первого раза будет затруднительно – рекомендуется провести ряд вычислений для определенного промежутка трубопровода. Желательно, чтобы в нем было как можно меньше дополнительных приборов – радиаторов, запорной арматуры и т.д.

Для проверки гидравлического расчета двухтрубной отопительной системы нужно выполнить его в нескольких разных программах или дополнительно ручным способом самостоятельно.

· снижение быстродействия системы (увеличение тепловой инерции).

Для обеспечения минимизации капитальных затрат по второму экономическому условию — диаметры трубопроводов и арматуры должны быть наименьшими, но не приводящими при расчетном расходе теплоносителя к появлению гидравлических шумов в трубопроводах и запорно-регулирующей арматуре системы отопления, которые возникают при значениях скорости теплоносителя 0,6–1,5 м/с в зависимости от величины коэффициента местного сопротивления.

Очевидно, что при противоположной направленности приведенных требований к величине определяемого диаметра трубопровода существует область целесообразных значений скорости движения теплоносителя. Как показывает опыт строительства и эксплуатации систем отопления, а также сопоставление капитальных и эксплуатационных затрат, оптимальная область значений скоростей движения теплоносителя находится в пределах 0,3…0,7 м/с. При этом удельные потери давления будут составлять 45…280 Па/м для полимерных трубопроводов и 60…480 Па/м для стальных водогазопроводных труб.

Учитывая более высокую стоимость трубопроводов из полимерных материалов, целесообразно придерживаться более высоких скоростей движения теплоносителя в них для предотвращения увеличения капиталовложений при строительстве. При этом эксплуатационные затраты (гидравлические потери давления) в трубах из полимерных материалов в сравнении со стальными трубами будут меньше или оставаться на том же уровне благодаря значительно более низкой величине коэффициента гидравлического трения.

Получить полный текст

Для определения внутреннего диаметра трубопровода dвн

на расчетном участке системы отопления при известном транспортируемом тепловом потоке и разности температур в подающем и обратном трубопроводах
∆tco
= 90 – 70 = 20°С (для двухтрубных систем отопления) или расходе теплоносителя удобно пользоваться таблицей 1.

Читать еще:  Как проверить циркуляцию в системе отопления?

Таблица 1. Определение внутреннего диаметра трубопроводов системы отопления

Дальнейший выбор трубопроводов для инженерных систем жизнеобеспечения, в том числе и отопления, заключается в определении типа трубы, которая при планируемых условиях эксплуатации обеспечит максимальную надежность и долговечность. Столь высокие требования объясняются тем, что трубопроводы систем горячего и холодного водоснабжения, отопления, теплоснабжения установок вентиляции и кондиционирования воздуха, газоснабжения и других инженерных систем проходят практически через весь объем здания.

Стоимость трубопроводов всех инженерных систем в сравнении со стоимостью здания — менее 0,1%, а авария или замена трубопроводов при их сроке эксплуатации менее срока эксплуатации здания приводит к значительным дополнительным затратам на косметический или капитальный ремонты, не говоря о возможных убытках при аварии на восстановление оборудования и материальных ценностей, находящихся в здании.

Все трубы промышленного изготовления, которые применяют в системах отопления, можно разделить на две большие группы — металлические и неметаллические. Главная отличительная особенность металлических труб — механическая прочность, неметаллических — долговечность.

На основании предварительно определенного внутреннего диаметра трубопровода принимают соответствующий диаметр условного прохода dy

для металлических труб или наружный диаметр и толщину стенки трубы
dн x s
для полимерных (металлополимерных) трубопроводов.

Разные типы труб имеют различные механические, гидравлические и эксплуатационные характеристики, оказывающие различное влияние на процессы гидродинамики и распределения тепловых потоков в системе отопления.

Известно, что при снижении гидравлических потерь давления на трение при движении теплоносителя в трубах повышается эффективность регулирования расходом теплоносителя (тепловым потоком) отопительного прибора за счет увеличения (перераспределения) срабатываемого располагаемого давления на регулируемых вручную или автоматически вентилях, кранах, клапанах или другой арматуре. При этом говорят о росте авторитета регулирующего вентиля. Под авторитетом регулирующей арматуры следует понимать долю располагаемого на регулируемом участке давления, которая расходуется на преодоление местного сопротивления вентиля (клапана) при движении теплоносителя.

Эффективность системы отопления «на глазок»

Во многом суммы таких затрат зависят от:

  • требуемых диаметров трубопроводов
  • фитингов и соответствующих им приборов отопления
  • переходников
  • регулировочной и запорной арматуры

Желание минимизировать такие затраты не должно идти в ущерб качеству, но принцип разумной достаточности, некий оптимум, должен выдерживаться.

В большинстве современных индивидуальных отопительных комплексов применяются электронасосы для обеспечения принудительной циркуляции теплоносителя, в качестве которого часто используются незамерзающие составы антифризов. Гидравлическое сопротивление таких систем отопления для разных их типов теплоносителей будет разным.

Учитывая постоянно растущую стоимость энергоносителей (все виды топлива, электроэнергия) и расходных материалов (теплоносители, запчасти и пр.), следует с самого начала стремиться заложить в систему принцип минимизации расходов на эксплуатацию системы. Опять же, исходя из их оптимального соотношения для решения задачи создания комфортного температурного режима в отапливаемых помещениях.

Разумеется, соотношение мощности всех элементов отопительной системы должны обеспечивать оптимальный режим подачи теплоносителяк приборам отопления в объёме достаточном для выполнения основной задачи всей системы — обогрева и поддержания заданного температурного режима внутри помещения, независимо от изменения наружных температур. К элементам отопительной системы относятся:

  • котел
  • насос
  • диаметр труб
  • регулировочная и запорная арматура
  • тепловые приборы

Помимо того, очень неплохо, если в проект изначально будет заложена определённая «эластичность», допускаюшая переход на иной вид теплоносителя (замена воды на антифриз). Кроме того, отопительная система, при меняющихся режимах эксплуатации никоим образом не должна вносить дискомфорт во внутренний микроклимат помещений.

В качестве примера рассмотрим двухтрубную гравитационную систему отопления.

Исходные данные для расчета:

  • расчетная тепловая нагрузка системы – Qзд. = 133 кВт;
  • параметры системы – tг = 75 0 С, tо = 60 0 С;
  • расход теплоносителя (расчетный) – Vсо = 7,6 м 3 /ч;
  • присоединение отопительной системы к котлам производится через гидравлический разделитель горизонтального типа;
  • автоматика каждого из котлов в течение всего года поддерживает постоянную температуру теплоносителя на выходе – tг = 80 0 С;
  • автоматический регулятор перепада давления устанавливается на вводе каждого распределителя;
  • система отопления от распределителей смонтирована из металлопластиковых труб, а теплоснабжение распределителей производится посредством стальных труб (водогазопроводных).

Диаметры участков трубопроводов подобраны с использованием номограммы для заданной скорости теплоносителя 0,4-0,5 м/с.

На участке 1 установлен клапан dу 65. Его сопротивление согласно информации производителя составляет 800 Па.

На участке 1а установлен фильтр диаметром 65 мм и с пропускной способностью 55 м3/ч. Сопротивление этого элемента составит:

0,1 х (G/kv) х 2 = 0,1 х (7581/55) х 2 = 1900 Па.

Варианты двухтрубной отопительной системы

Сопротивление трехходового клапана dу = 40 мм и kv = 25 м3/ч составит 9200 Па.

Суммарные потери давления в системе снабжения теплом распределителей будут равняться 21514 Па или приблизительно 21,5 кПа.

Самодельная печь хорошо подойдет для обогрева дачного домика или подсобного помещения. Печка из газового баллона своими руками – смотрите инструкцию по изготовлению.

Как собрать пресс для топливных брикетов своими руками, вы узнаете в этой статье.

Аналогичным образом производится расчет остальных частей системы теплоснабжения распределителей. При расчете системы отопления от распределителя выбирается основное циркуляционное кольцо через наиболее нагруженное отопительное устройство. Гидравлический расчет производится с использованием 1-го направления.

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector