Гидравлический расчет систем водяного отопления: Гидравлический расчет системы отопления — заказать в компании Энергомир

Содержание

Гидравлический расчет системы отопления: пример, сопротивление отопительных приборов

Гидравлический расчет системы отопления

Централизованный тип постепенно уступает место автономной системе отопления. Многие принимают решение обогревать помещения собственными силами, желая создать идеальное сочетание экономичности, тепла и комфорта. Именно поэтому особую актуальность приобретает гидравлический расчет системы отопления.

На начальном этапе предстоят финансовые траты. Однако новейшее отопительное оборудование обладает инновационным подходом к процессу регулирования подачи тепла по сравнению со старым, поэтому вложенные деньги быстро окупаются. Но такую гармонию могут обеспечить лишь системы, созданные по всем правилам. Они смогут профессионально преодолеть возникающее гидравлическое сопротивление.

Для чего делается расчет

Вычисления производят в первую очередь для того, чтобы определить такие характеристики циркуляционного насоса, как производительность и напор, которые позволят системе отопления работать с наибольшей эффективностью.

Конечно, какую-то циркуляцию в контуре создаст любой насос, даже самый маломощный, но насколько экономичной будет такая схема? Часто бывает так, что и котел исправно работает и радиаторов в доме достаточно, но они не греют из-за слабой циркуляции в системе.

Чтобы контуры отопления работали в полную силу, необходимо, чтобы насос преодолел гидравлическое сопротивление элементов системы потоку воды в трубах, а также потери давления. Но и насос большей мощности, чем нужно, также приведет к нежелательным эффектам. Кроме повышенного расхода электроэнергии, превышение давления плохо скажется на долговечности соединений, а увеличение скорости продвижения теплоносителя приведет к возникновению шумов.

Правильно рассчитанное гидравлическое сопротивление и качественная регулирующая арматура – наиболее эффективное сочетание.

Соблюдение ключевых условий обеспечивают следующие факторы:

  • снабжение отопительных приборов должно осуществляться в достаточном объеме для идеального баланса в помещении при температурных колебаниях воздуха снаружи и в жилище;
  • минимизация затрат на эксплуатацию, чтобы преодолеть системное гидравлическое сопротивление;
  • снижение капитальных затрат во время прокладки отопления.

Что учитывается в расчете?

Перед тем как начинать вычисления, следует выполнить ряд графиче

ских действий (часто для этого применяется специальная программа). Гидравлический расчет предполагает определение показателя баланса тепла помещения, в котором происходит отопительный процесс.

Для расчета системы рассматривается самый протяженный контур отопления, включающий наибольшее количество приборов, фитингов, регулирующей и запорной арматуры и наибольший перепад давления по высоте. В расчете участвуют такие величины:

  • материал трубопроводов;
  • суммарная длина всех участков трубы;
  • диаметр трубопровода;
  • изгибы трубопровода;
  • сопротивление фитингов, арматуры и отопительных приборов;
  • наличие байпасов;
  • текучесть теплоносителя.

Чтобы учесть все эти параметры существуют специализированные компьютерные программы, как пример — «НТП Трубопровод», «Oventrop CO», HERZ С.О. версии 3.5. или множество их аналогов, облегчающие специалистам производство расчетов.

Они содержат необходимые справочные данные по каждому элементу системы теплоснабжения и позволяет автоматизировать сам расчет. Однако проделать львиную долю работы, определить узловые точки и внести все данные для расчета и особенности схемы трубопровода придется пользователю. Для удобства целесообразно постепенно заполнять заранее созданную форму в MS excel.

Сделать верные расчеты в части преодоления сопротивления – это самый трудоемкий, но нео

бходимый шаг при проектировании отопительных систем водяного типа.

Выбор радиаторов и длины участков трубопровода

Необходимо определиться с видом устройств для отопления и проставить места их расположение на плане помещения. Далее должно быть принято решение об итоговой конфигурации отопительной системы, вида трубопровода (однотрубный или двухтрубный), арматуры для запора и регулирования (клапана, регуляторы, вентили, датчики давления, расхода и температуры).

Затем на вычерченной схеме указывается номер тепловых нагрузок и точная длина участков, для которых производится расчет. В заключении определяется «циркулирующее кольцо». Оно представляет собой контур замкнутого вида, который включает в себя все последовательные трубопроводные участки, на которых ожидается повышенный расход носителя тепла на расстоянии от источника, излучающего теплоэнергию, до самого дальнего прибора отопления (при двухконтурной системе) или до приборной ветки (при однотрубной системе) и назад к отопительному механизму.

Нюансы

При гидравлическом расчете с помощью компьютера excel – не единственная, хоть и наиболее простая. Для данного вида подсчетов разработаны специализированные программы, с которыми работать значительно проще.

В роли расчетного трубопровода обычно выступает участок, имеющий неизменный расход носителя тепла и постоянный диаметр. Так будет проще получить правильные данные. Он определяется по тепловому балансу помещения.

Нумерация участков должна происходить от теплового источника. Чтобы обозначить узловые точки на трубопроводе, который осуществляет подачу, в местах ответвлений применяют буквы алфавита. На магистралях сборного типа в соответствующих узлах их обозначают штрихами (пример хорошо это иллюстрирует).

Узловые точки на ответвлениях приборных веток обозначаются арабскими цифрами. Каждая соответствует номеру этажа, если применяется система горизонтального типа, или номеру ветки-стояка с приборами, если речь идет о вертикальной системе. В номер всегда входят две цифры – начало и конец участка. Длина трубопроводных участков определяется по плану, который вычерчивается в масштабе. Точность составляет 0,1 м.

Расчет однотрубной системы отопления рекомендуется проводить при одинаковых (постоянных) или различных (переменных) перепадах температуры воды в стояках методом характеристик сопротивления. При этом следует применять верхнюю разводку, при которой обеспечивается движение воды к отопительному прибору «сверху-вниз».

Скачать пример гидравлического расчета

постановка задачи, порядок выполнения расчета, ошибки и способы их исправления

От правильного выбора всех элементов системы водяного отопления, их установки, во многом зависит эффективность её работы, сроки безаварийной и экономичной эксплуатации. Насколько экономичным и эффективным будет отопление в доме, покажут уже начальные вложения средств на этапе установки и монтажа системы. Рассмотрим подробнее как осуществляется гидравлический расчет систым отопления, с целью определения оптимальной мощности отопительной системы.

Содержание

  • 1 Эффективность системы отопления «на глазок»

  • 2 Гидравлический расчёт и решаемые задачи

  • 3 Подготовка выполнения расчёта

  • 4 Обозначения и порядок выполнения

  • 5 Последствия ошибок расчёта и способы их исправления

  • 6 Пример гидравлического расчета (видео)

Эффективность системы отопления «на глазок»

Во многом суммы таких затрат зависят от:

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.

Гидравлический расчёт и решаемые задачи

В процессе выполнения гидравлического расчёта отопительной системы, решается достаточно большой круг вопросов обеспечения выполнения приведенных выше и целого ряда дополнительных требований. В частности, находится диаметр труб на всех секторах по рекомендованным параметрам, включающим определение:

В процессе движения теплоносителя происходит неизбежное его трение о стенки трубы, возникают потери скорости, особенно заметные на участках, содержащих повороты, колена и т. п. В задачи гидравлического расчёта входит определение потерь скорости движения среды, вернее, давления на отрезках системы, подобных указанным, для общего учёта и включения в проект требуемых компенсаторов. Параллельно определению потери давления, необходимо знать требуемый объём, называемый расходом, теплоносителя во всей проектируемой системе водяного отопления.

Учитывая разветвлённость современных отопительных систем и конструктивные требования реализации наиболее распространённых схем разводки, например, примерное равенство длин ветвей в коллекторной схеме, расчёт гидравлики даёт возможность учесть такие особенности. Это позволит обеспечить более качественную автобалансировку и увязку ветвей, включенных параллельно или по другой схеме. Такие возможности часто требуются в ходе эксплуатации с применением запорных и регулирующих элементов, в случае необходимости отключения или перекрытия отдельных веток и направлений, при возникновении необходимости работы системы в нестандартных режимах.

Подготовка выполнения расчёта

Проведению качественного и детального расчёта должны предшествовать ряд подготовительных мероприятий по выполнению расчётных графиков. Эту часть можно назвать сбором информации для проведения расчёта. Являясь самой сложной частью в проектировании водяной отопительной системы, расчёт гидравлики позволяет точно спроектировать всю её работу. В подготавливаемых данных обязательно должно присутствовать определение требуемого теплового баланса помещений, которые будут обогреваться проектируемой отопительной системой.

В проекте расчёт ведётся с учётом типа выбранных приборов отопления, с определёнными поверхностями теплообмена и размещения их в обогреваемых помещениях, это могут быть батареи секций радиаторов или теплообменники других типов. Точки их размещения указываются на поэтажных планах дома или квартиры.

Принимаемая схема конфигурирования системы водяного отопления должна быть оформлена графически. На этой схеме указывается место размещения генератора тепла (котёл), показываются точки крепления приборов отопления, прокладка основных подводящих и отводящих магистралей трубопроводов, прохода веток приборов отопления. На схеме подробно приводится расположение элементов регулирующей и запорной арматуры. Сюда входят все виды устанавливаемых кранов и вентилей, переходных клапанов, регуляторов, термостатов. В общем, всего, что принято называть регулирующей и запорной арматурой.

После определения на плане требуемой конфигурации системы, её необходимо вычертить в аксонометрической проекции по всем этажам. На такой схеме каждому отопительному прибору присваивается номер, указывается максимальная тепловая мощность. Важным элементом, также указываемым для теплового прибора на схеме, является расчётная длина участка трубопровода для его подключения.

Обозначения и порядок выполнения

На планах обязательно должно быть указано, определённое заранее, циркуляционное кольцо, называемое главным. Оно обязательно представляет собой замкнутый контур, включающий все отрезки трубопровода системы с наибольшим расходом теплоносителя. Для двухтрубных систем эти участки идут от котла (источника тепловой энергии) до самого удалённого теплового прибора и обратно к котлу. Для однотрубных систем берётся участок ветки — стояка и обратной части.

Единицей расчёта является отрезок трубопровода, имеющий неизменный диаметр и ток (расход) носителя тепловой энергии. Его величина определяется исходя из теплового баланса помещения. Принят определённый порядок обозначения таких отрезков, начиная от котла (источника тепла, генератора тепловой энергии), их нумеруют. Если от подающей магистрали трубопровода есть ответвления, их обозначение выполняется заглавными буквами в алфавитном порядке. Такой же буквой со штрихом обозначается сборная точка каждой ветки на обратном магистральном трубопроводе.

В обозначении начала ветки приборов отопления указывается номер этажа (горизонтальные системы) или ветки — стояка (вертикальные). Тот же номер, но со штрихом ставится в точке их подключения к обратной линии сбора потоков теплоносителя. В паре, эти обозначения составляют номер каждой ветки расчётного участка. Нумерация ведётся по часовой стрелке от левого верхнего угла плана. По плану определяется и длина каждой ветки, погрешность составляет не более 0,1 м.

На поэтажном плане отопительной системы по каждому её отрезку считается тепловая нагрузка, равная тепловому потоку, переданному теплоносителем, она принимается с округлением до 10 Вт. После определения по каждому прибору отопления в ветке, определяется суммарная нагрузка по теплу на магистральной подающей трубе. Как и выше, тут округление полученных значений ведётся до 10 Вт. После вычислений, каждый участок должен иметь двойное обозначение с указанием в числителе величины тепловой нагрузки, а в знаменателе — длины участка в метрах.

Требуемое количество (расход) теплоносителя на каждом участке легко определяется путём деления количества тепла на участке (скорректированное на коэффициент, учитывающий удельную теплоёмкость воды) на разность температур нагретого и охлаждённого теплоносителя на этом участке. Очевидно, что суммарное значение по всем рассчитанным участкам даст требуемое количество теплоносителя в целом по системе.

Не вдаваясь в детали, следует сказать, что дальнейшие расчёты позволяют определить диаметры труб каждого из участков системы отопления, потери давления на них, произвести гидравлическую увязку всех циркуляционных колец в сложных системах водяного отопления.

Последствия ошибок расчёта и способы их исправления

Очевидно, что гидравлический расчёт является достаточно сложным и ответственным этапом разработки отопления. Для облегчения подобных вычислений разработан целый математический аппарат, существуют многочисленные версии компьютерных программ, предназначенных для автоматизации процесса его выполнения.

Несмотря на это, от ошибок никто не застрахован. Среди наиболее распространённых выбор мощности тепловых приборов без проведения расчёта, указанного выше. В этом случае, помимо более высокой стоимости самих радиаторных батарей (если мощность больше требуемой), система будет затратной, расходуя повышенное количество топлива и требуя более значительных на свое содержание. Проще говоря, в комнатах будет жарко, форточки постоянно открыты и придётся дополнительно оплачивать обогрев улицы. В случае заниженной мощности попытки обогрева приведут к работе котла на повышенной мощности и также потребуют высоких финансовых затрат. Исправить такую ошибку достаточно сложно, возможно потребуется полностью переделывать всё отопление.

Если неверно проведен монтаж радиаторных батарей, эффективность работы всего отопительного комплекса также падает. К таким ошибкам относится нарушение правил установки батареи. Ошибки этой группы могу вдвое снизить теплоотдачу самых качественных тепловых приборов. Как и в первом случае, стремление повысить температуру в помещении, приведёт к дополнительным расходам энергоносителя. Чтобы исправить ошибки установки, зачастую достаточно переустановить и подключить заново радиаторные батареи.

Следующая группа ошибок относится к ошибке определения требуемой мощности источника тепла и приборов отопления. Если мощность котла заведомо выше мощности отопительных приборов, он будет работать неэффективно, потребляя большее количество топлива. Налицо двойной перерасход средств: в момент покупки такого котла и в ходе эксплуатации. Чтобы исправить положение, такой котёл, радиаторы или насос, а то и все трубы системы, придётся менять.

При расчёте требуемой мощности котла, может быть допущена ошибка в определении потерь тепла зданием. В результате мощность генератора тепловой энергии будет завышена. Результатом будет перерасход топлива. Чтобы исправить ошибку, придётся заменить котёл.

Ошибочный расчёт балансировки системы, нарушение требований примерного равенства веток и т. п. может привести к необходимости установки более мощного насоса, позволяющего доставить носитель к дальним приборам отопления в нагретом состоянии. Однако в этом случае возможно появление «звукового сопровождения» в виде гула, свиста и т. п. Если подобные ошибки допущены в системе тёплого водяного пола, то результатом установки мощного насоса может стать «поющий пол».

При ошибках определения требуемого количества теплоносителя или переводе гравитационной системы на принудительную циркуляцию, объём его может оказаться слишком велик, и дальние приборы отопления не будут работать. Как и ранее, попытки решения проблемы увеличением интенсивности прогрева, приведут к перерасходу газа, износу котла. Решить вопрос можно применением нового насоса и гидрострелки, т. е. тепловой пункт придётся всё равно переделывать.

После всего можно однозначно сказать, что проведение гидравлического расчёта системы отопления позволит гарантированно минимизировать расходы на всех этапах проектирования, устройства, монтажа и долговременной эксплуатации высокоэффективной системы водяного отопления.

Пример гидравлического расчета (видео)

  • Автор: nikolay-sivakov

где

R = мощность обогревателей в помещении (Вт)

H = теплопотери из помещения (Вт)

9000 2 x = запас на обогрев помещения — общие значения в диапазоне от 0,1 до 0,2

Нагреватели с правильными параметрами необходимо выбирать из производственной документации.

4. Калибровка насосов

Производительность циркуляционных насосов можно рассчитать как

9(3)

где

Q = объем воды (м 3 /с)

H = общие потери тепла (кВт)

ч 1 = энтальпия потока воды (кДж/кг) (4,204 кДж/кг. o C 9003 1 в 5 или С, 4,219 кДж/кг или С at 100 o C )

h 2 = энтальпия возвратной воды (кДж/кг)

ρ = плотность воды в насосе (кг/м 3 ) (1000 кг/м 3 при 5 o C, 958 кг/м 3 при 100 o C)

Для насосных циркуляционных систем низкого давления — LPHW (3) можно округляется до

Q = H / 4,185 (t 1 -t 2 )                                         (3b)

где

t 1 = температура подачи ( o C)

t 2 = температура обратки ( o C)

Для насосных циркуляционных систем низкого давления — LPHW a напор от 10 до 60 кН/м 2 и сопротивление трению основной трубы от 80 до 250 Н/м 2 на метр трубы обычная.

Для насосных циркуляционных систем высокого давления — HPHW напор от 60 до 250 кН/м 2 и сопротивление трению основной трубы от 100 до 300 Н/м 2 на метр трубы обычно.

Циркуляционная сила в гравитационной системе может быть рассчитана как                                    (4)

где

p = доступное давление циркуляции (Н/м 2 )

h = высота между центром котла и центром радиатора (м)

90 030 г = ускорение свободного падения = 9,81 ( м/с 2 )

ρ 1 = плотность воды при температуре потока (кг/м 3 )

ρ 2 = плотность воды на возврате температура (кг/м 3 )

5. Размеры труб

Полная потеря давления в системе трубопроводов горячей воды может быть выражена как

p t = p (5 )

где

p t = общая потеря давления в системе (Н/м 2 )

9000 2 p 1 = большая потеря давления из-за трения ( N /м 2 )

p 2 = незначительная потеря давления из-за фитингов ( Н/м 2 )

900 57

Основная потеря давления из-за трения может быть выражена как

p 1 = i l                                                   (6)

где 9003 1

i = сопротивление трению основной трубы на длину трубы (Н/м 2 на метр трубы)

l = длина трубы (м)

Значения сопротивления трения для фактических труб и объемных расходов можно получить из специальных таблиц, составленных для труб или трубок.

Незначительные потери давления из-за фитингов, таких как отводы, отводы, клапаны и т.п., могут быть рассчитаны как:

p 2 = ξ 1/2 ρ v                                 (7)

или в виде «головы»

ч потери = ξ v 2 / 2 г                                         (7b)

где

ξ = коэффициент незначительных потерь

p потеря = потеря давления (Па (Н/м 2 ), фунт/кв. дюйм (фунт/фут 2 ))

ρ 9003 0 = плотность (кг/м 3 , порции /фут 3 )

v = скорость потока (м/с, фут/с)

ч потеря = потеря напора (м, фут) 90 031

г = ускорение сила тяжести (9,81 м/с 2 , 32,17 фут/с 2 )

9002 0 6. Расширительный бак

При нагревании жидкость расширяется. Расширение воды, нагретой с 7 o С до 100 o C приблизительно равно 4% . Чтобы расширение не создавало давление в системе, превышающее расчетное, обычно расширяющуюся жидкость отводят в резервуар — открытый или закрытый.

Открытый расширительный бак

Открытый расширительный бак подходит только для систем с подогревом воды низкого давления (LPHW). Давление ограничивается самым высоким расположением бака.

Объем открытого расширительного бака должен быть в два раза больше предполагаемого объема расширения в системе. Приведенную ниже формулу можно использовать для системы горячего водоснабжения, нагретой от 7 o C до 100 o C (4%):

В t = 2 0,04 В w 90 030                                        (8)

где

V t = объем расширительного бака (м 3 )

V w = объем воды в системе (м 9 0119 3 )

Закрытый расширительный бак

В закрытом расширительном баке давление в системе частично поддерживается сжатым воздухом. Объем расширительного бака можно выразить как:

V t = V e p w / (p w — p i )                                    (8b)

где

V t = объем расширительного бака (м 3 )

V e = объем, на который увеличивается содержание воды (м 3 )

p w 90 031 = абсолютное давление в баке при рабочей температуре — рабочая система (кН/м 2 )

p i = абсолютное давление холодного бака при заполнении — нерабочая система (кН/м 2 )

9000 2 Расширяющийся объем может быть выражен как:

V e = V w (ρ i — ρ w ) / ρ w 90 030                                    (8c)

где

V w = объем воды в системе (м 3 )

ρ i = плотность холодной воды при температуре заполнения (кг/м 901 19 3 )

ρ w = плотность воды при рабочей температуре (кг/м 3 )

Рабочее давление системы — p w — должно быть так, чтобы рабочее давление в высшей точке системы соответствует температуре кипения на 10 90 119 o 90 120 С выше рабочей температуры.

p w = рабочее давление в самой высокой точке

    + статическая разница давлений между самой высокой точкой и резервуаром

    +/- давление насоса (+/- в зависимости от положения насоса)

7. Выбор предохранительных клапанов

Предохранительные клапаны для систем принудительной циркуляции (насосов)

Безопасность настройки клапана = давление на сторона нагнетания насоса + 70 кН/м 2

Предохранительные клапаны для самотечных циркуляционных систем

Настройки предохранительного клапана = давление в системе + 15 кН/м 2

Для предотвращения утечек из-за ударов в системе обычно устанавливается значение не менее 240 кН/м 2 .

Расход в системе отопления

Объемный расход в системе отопления можно выразить как

q = h / (c p ρ 90 734 dt)                                          (1)

где

д = объемный расход    (м 3 /с )

ч = расход тепла (кДж/с, кВт)

90 002 c p = удельная теплоемкость (кДж/кг o C )

ρ = плотность   (кг/м 3 ) 9 0003

dt = разница температур ( o C)

Это общее уравнение может быть изменено для фактических единиц измерения — СИ или имперских единиц — и используемых жидкостей.

Объемный расход воды в британских единицах измерения

Для воды с температурой 60 o F расход может быть выражен как

q = ч (7,48 гал/фут 3 901 20 ) / ((1 БТЕ/ lb m o F) (62,34 lb/ft 3 ) (60 мин/ч) dt)         

    = 900 31 ч / (500 dt)                                      (2)

где

q = расход воды (гал/мин)

ч = расход тепла (БТЕ/ч)

ρ 90 030 = плотность ( фунт/фут 3 )

dt = разница температур ( o F)

Для более точного определения объемного расхода следует использовать свойства горячей воды.

Массовый расход воды в имперских единицах

Массовый расход воды может быть выражен как:

m = h / ((1,2 БТЕ/фунт. o F) dt)         

    =  h / (1,2 dt)                                    (3)

где

м = массовый расход (фунты м /ч)

Объемный расход воды в единицах СИ

Объемный расход воды в системе отопления можно выразить в единицах СИ как

900 02 q = h / ((4,2 кДж/кг o C) (1000 кг/м 3 ) dt)         

    = h / (4200 d t)                                 (4)

где

q = расход воды (м 3 /с)

ч = расход тепла (кВт или кДж/с)

9073 1 dt = разница температур ( o C )

Для более точного определения объемного расхода следует использовать свойства горячей воды.

Массовый расход воды в единицах СИ

Массовый расход воды может быть выражен как:

m = h / ((4,2 кДж/кг o C) d т)

    = h / (4,2 dt)                                     (5)

где

m 907 34 = массовый расход (кг/с)

Пример – расход в системе отопления

Циркуляционная вода системы отопления поставляет 230 кВт с разницей температур 20 o C .