Тема 1.4 Регулирование теплоотдачи отопительных приборов и основы расчета систем отопления

После изучения особенностей планировочного решения и строительных конструкций проектируемого здания, технологического процесса и режима работы ( для промышленных и общественных зданий), а также обоснования принципиальной и конструктивной схем системы центрального отопления (выбора вида и параметров теплоносителя, типа нагревательных приборов и способа их установки, схемы разводящих магистралей и конструкции стояков) выполняют гидравлический расчет трубопроводов.

Задача гидравлического расчета состоит в обоснованном выборе экономичных диаметров труб с учетом принятых перепадов давлений и расходов теплоносителя. При этом должна быть гарантирована подача его во все части системы отопления для обеспечения расчетных тепловых нагрузок нагревательных приборов.

Гидравлический расчет системы водяного отопления базируется на общих законах гидравлики. В настоящее время разработано 4 метода гидравлического расчета.

Метод эквивалентных сопротивлений. Этот метод, разработанный Б.Н.Лобаевым, заключается в том, что при гидравлическом расчете трубопроводов полную величину располагаемого перепада давлений Рр.делят на длину главного (наиболее нагруженного и протяженного ) циркуляционного кольца или ветви трубопровода рассматриваемой расчетной схемы ∑l. В результате находят средний располагаемый перепад давлений на 1м трубопровода, включающий потери на трение и потери в местных сопротивлениях:

Рр

Ro = ------, кгс/м2

∑l

Отсюда падение давления на любом расчетном участке длиной lп будет:

Рп = Ro · lп , кгс/м2

Особенность гидравлического расчета по номограмме Б.Н.Лобаева заключается в том, что, зная заранее требуемую величину потери давления на расчетном участке Рп , находят искомый диаметр трубы d, который будет окончательным при известном расходе G и неизменном значении ∑ ξ , без повторных пересчетов участков трубопровода.

Метод характеристик сопротивления. Этот метод, разработан Е.А.Белинким для расчета трубопроводов водяного отопления.

Метод динамических давлений. Сущность этого метода, разработанного И.С.Либером, состоит в замене потерь на трение R равновеликими им потерями в местных сопротивлениях Zэкв.

Метод удельной потери давления. Сущность этого метода заключается в том, что по заранее известной величине средней удельной потери давления на трение

Рассмотрим на примерах основной традиционный метод гидравлического расчета по удельным линейным потерям давления.

По архитектурно-строительным чертежам здания, для которого проектируется система отопления, производится расчет требуемой тепловой мощности отопительных приборов для каждого помещения здания, имеющего наружные ограждающие конструкции.

В зависимости от особенностей здания выбирается рациональный вариант прокладки магистральных подающих и обратных трубопроводов.

По принятому решению расположения магистральных трубопроводов составляется аксонометрическая схема подведения трубопроводов к отопительным приборам по помещениям.

Требуемая мощность отопительных приборов в помещениях и количество циркулирующей через них горячей воды определяется для каждого помещения

С учетом архитектурно-строительных особенностей здания выбирается схема прокладки подающих и обратных трубопроводов. Выбор рациональной схемы распределения горячей воды по отопительным приборам определяется необходимостью создания колец циркуляции горячей воды с близкими по величине гидравлическимим потерями.

Движение воды по трубопроводам происходит от сечения с большим давлением воды к сечению с меньшим давлением воды. Давление воды при движении ее по трубопроводам снижается из-за сопротивления трению воды о стенки трубопроводов и потерь в местных сопротивлениях, что для напорного участка системы отопления вычисляется по формуле:

l ρw

∆H = ( λ ------ + ∑ξ )· ----- w², Па. (1,1)

d 2

Коэффициент сопротивления трению λ зависит от режима течения и относительной шероховатостью труб. Для стальных трубопроводов в системах отопления можно принять λ = 0,02.

Сумма местных сопротивлений на расчетном участке сети системы отопления ∑ξ принимается по Справочнику проектировщика часть 1 для каждого элемента сети на расчетном участке (например, поворот трубопровода на 90˚ дает ξ = 1).

ρw · w²/ 2 - динамическое давление воды на расчетном участке.

Массовая плотность воды ρw принимается по величине ее температуры

twг = 95˚С, ρw = 962 кг/м³; twг = 70˚С, ρw = 978 кг/м³; twг = 50˚С, ρw = 988 кг/м³; twг = 4˚С, ρw = 1000 кг/м³;

Скорость воды в трубах зависит от площади внутреннего сечения трубы с внутренним диаметром ƒтр., м², и расхода воды Gw, кг/ч.

Площадь внутреннего сечения трубы с внутренним диаметром dо ,м, вычисляется по формуле:

ƒтр = 3,14 · d² / 4, м². (1.2)

Скорость воды при расходе Gw, кг/ч, вычисляется по формуле:

Gw

w = ----------------------, м/с (1.3)

ρw · 3600 · ƒтр.w.

Выбор диаметров труб в системе отопления проводится по сортаменту выпускаемых промышленностью труб и максимальной скорости воды в трубах до 1,5 м/с.

В таблице 1 приведены наиболее применяемые в системах отопления трубы и рекомендуемые предельные значения расхода по ним горячей воды.

Таблица 1.

Сортамент труб для систем отопления и рекомендуемые предельные значения расхода по ним горячей воды при twг.ср. = 70˚С

Часть трубопровода системы отопления, в пределах которого диаметр трубопровода и расход горячей воды сохранияются постоянными, называют участком и ему на аксонометрической схеме трубопроводов дается условное обозначение.

Гидравлическое сопротивление для каждого участка вычисляется по формуле (1.1).

При изображении аксонометрической схемы системы отопления, соединяя отдельные участки, создают кольца циркуляции. Перепад давлений, под воздействием которого происходит движение воды по кольцу циркуляции, определяется гидравлическими потерями и дополнительным гравитационным давлением, которое создается из-за изменения температуры проходящей по кольцу воды. Гравитационное циркуляционное давление под воздействием изменения массовой плотности воды с понижением ее температуры вычисляется по формуле:

∆Hе.ц. = g hi (ρw.г.i - ρw.г.i+1), Па (1.4)

где hi - высота участка, на котором горячая вода от охлаждения увеличивает массовую плотность от ρw.г.i (начало участка) до ρw.г.i+1 по направлению циркуляции воды.

В двухтрубных системах отопления отопительные приборы присоединяются к подающему и обратному стоякам параллельно друг другу, как это показано на рис. 4.5

К каждому отопительному прибору горячая вода приходит и выходит с одинаковой температурой twг1 и twг2 и массовой плотностью ρw.г.1 и ρw.г.2

Однако для каждого отопительного прибора по высоте вертикального стояка будет различная величина разности высот h1 и h2 (см. рис. 4.5) от середины отопительного прибора до середины высоты водонагревателя.

Для отопительного прибора. верхнего этажа здания естественное гравитационное давление по формуле (1.1) будет:

∆Hе.ц1. = g h1 (ρw.г.2 - ρw.г.1), Па (1.5)

Для нижнего этажа оно будет:

∆Hе.ц2. = g h2 (ρw.г.2 - ρw.г.1), Па (1.6)

Для верхнего этажа величина h1 больше и поэтому располагаемое гравитационное давление Hе.ц1 будет больше. Наименьшее оно будет для отопительных приборов первого этажа. Эти различия в величинах создаваемого по высоте стояка естественных гравитационных давлений должны учитываться при увязке гидравлических сопротивлений в кольцах циркуляции в двухтрубных системах отопления.

В однотрубных системах отопления нагревательные приборы по горячей воде соединены последовательно. Поэтому в каждый последующий прибор горячая вода поступает с более низкой температурой и большей плотностью.

На схеме рис. 4.4 показаны два варианта присоединения отопительных приборов. На схеме а показан вариант последовательного прохождения горячей воды через все отопительные приборы на стояке.между соседними по высоте отопительными приборами на стояке естественное гравитационное давление будет:

∆Hе.ц1-2. = g h1-2 (ρw.г пр.2 - ρw.г.1), Па (1.7)

Пониженная температура воды twг.пр2 и повышенная ее плотность

ρw.г пр.2 отвечает условиям поступления горячей воды после теплоотдачи части теплоты в верхнем отопительном приборе и соединительном трубопроводе между соседними по высоте h1-2 отопительными приборами (см. схему на рис. 4.4, а ). Общее гравитационное давление в стояке а будет определяться разностью высот расположения отопительных приборов по высоте стояка hст. и общим падением температуры горячей воды в стояке:

∆Hе.ц.ст. = g hст. (ρw.г.2 - ρw.г.1), Па (1.8)

В однотрубной системе с замыкающими участками (рис. 4.4, б,в) перепад гравитационного давления между соседними по высоте отопительными приборами определяется по температуре смеси twг.см. горячей воды, поступающей в нижестоящий отопительный прибор:

∆Hе.ц.1-2. = g h1-2. (ρw.г.см2 - ρw.г.1), Па (1.9)

Перепады температуры воды между отопительными приборами зависят от доли отдачи теплоты qт.от.i отопительным прибором на каждом этаже. Общая теплоотдача по высоте стояка равна Qт.от.ст. при расчетном перепаде температур (twг.1 - twг.2).

По значениям расчетной теплоотдачи на каждом этаже qт.от.i вычисляется доля каждого отопительного прибора по формуле:

qт.от.i

----------- = qт.от.i (1.10)

Qт.от.ст

Сумма всех долей теплоотдачи по этажам qт.от.i равна единице. Поэтому перепады для каждого отопительного прибора на этаже будут отвечать доле теплоотдачи на этом этаже. Для отопительного прибора на i этаже температурный перепад составит:

∆ti = qт.от.i (twг.1 - twг.2), ˚С (1.11)

Температура смеси горячей воды, поступающей в нижерасположенные по стояку отопительные приборы, вычисляется по формуле:

t wсм. = twг.1 - ∑ qт.от. ( twг.1 - twг.2), ˚С (1,12)

где ∑ qт.от - сумма долей теплоотдачи всех выше расположенных по стояку отопительных приборов. Зная температуру смеси горячей воды, поступающей в отопительный прибор, можем вычислить естественное гравитационное давление.

Пример 1 Исходные данные: В помещении верхнего этажа многоэтажного дома доля теплоотдачи отопительного прибора в стояке однотрубной системы отопления составляет 0,15.

Требуется: Определить гравитационное давление между отопительными приборами соседних этажей при разности высот их расположения h1 = 3,3м.

Решение: 1. По формуле (1.12) вычисляем температуру смеси горячей воды, поступающей в ниже расположенный отопительный прибор:

t wсм. = 95 - 0,15 ( 95 – 70 ) = 91,25˚С

2. Массовая плотность горячей воды при t wсм. = 91,25˚С составляет - ρw.см. = 964 кг/м³.

3. По формуле (1.9) вычислим гравитационное давление между соседними по высоте стояка отопительными приборами:

∆Hе.ц.1-2. = 9,8 3 (964-962) = 58,8 Па

Общее гравитационное давление по стояку системы отопления будет расходоваться на частичное преодоление гидравлических сопротивлений в стояке.

На рис. 4.25 представлены две схемы гидравлической увязки параллельных колец циркуляции системы отопления.

В тупиковой схеме циркуляции (рис.4.25, а) гидравлические потери на трение и местные сопротивления вычисляются по формуле (1.1). на схеме рис. 4.25 для упрощения отсутствуют отопительные приборы и запорные краны на вертикальных стояках 5. Используем схемы на рис. 4.25 для показа принципа увязки потерь давления с учетом дополнительных гравитационных давлений водяного потока по кольцам циркуляции воды в системе отопления.

Для тупиковой схемы по рис. 4.25, а ниаменьшее кольцо циркуляции включает участки сети 1-2-в-д-1, а наиболее протяженное кольцо включает участки сети 1-2-г-е-1.

Если принять наличие теплоизоляции и пренебречь охлаждением воды по длине подающего 4 и обратного 6 магистральных изолированных трубопроводов, то при расчетной теплоотдаче по стоякам Ι – ΙΥ присоединенных к ним отопительных приборов, дополнительные гравитационные давления в стояках, обусловленные охлаждением воды, будут одинаковыми. Поэтому равенство гидравлических потерь в кольцах циркуляции системы отопления определяется равенством результатов расчетов по формуле (1.1) для каждого кольца.

Для схемы с попутным движением теплоносителя по магистральным трубопроводам (рис.4.25, б) длины колец циркуляции 1-2-в-д-е-1 и 1-2-г-е-1 могут быть близкими по величинам длин труб. Это облегчает увязку равенства гидравлических колец циркуляции в системе отопления.

Если магистральные трубопроводы не изолированы, как это делается при их прокладке под потолком верхнего этажа и в подвальном помещении, то от остывания воды в магистральных трубопроводах возникает дополнительное гравитационное давление, которое вычитается из общих гидравлических сопротивлений по кольцам циркуляции, вычисленное по формуле (1.1).