ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАСЧЕТА ТЕПЛОПРОВОДОВ СИСТЕМ ВОДЯНОГО ОТОПЛЕНИЯ

Трубопроводы в системе отопления выполняют важную функцию распределения теплоносителя по отдельным нагревательным приборам.

В водяных системах количество принесенного теплоносителем тепла зависит от его расхода и перепада температуры при охлаждении воды в приборе. Обычно при расчете задают общий для системы перепад температуры теплоносителя и стремятся к тому, чтобы в двухтрубных системах этот перепад был выдержан для всех приборов и для системы в целом, в однотрубных системах — для всех стояков. При известном перепаде температуры теплоносителя по трубопроводам системы к каждому нагревательному прибору должен быть подведен определенный расчетом расход воды.

В инженерной практике эта задача решается методом подбора.

Провести гидравлический расчет сети трубопроводов системы отопления (с учетом располагаемых циркуляционных давлений) — это значит так подобрать диаметры отдельных участков, чтобы по ним проходили расчетные расходы теплоносителя. Расчет ведется подбором с выбором диаметров по имеющемуся сортаменту труб, поэтому он всегда связан с некоторой погрешностью. Для различных систем и отдельных их элементов допускаются определенные невязки, которые должны быть выдержаны в расчете.

Потери давления на участках трубопроводов. Движение воды в трубопроводах происходит от сечений с большим давлением к сечениям с меньшим давлением. Давление теряется на преодоление сопротивления трения по длине труб и местных сопротивлений. В системах водяного отопления доля потерь на трение и в местных сопротивлениях примерно одного порядка, поэтому их необходимо одинаково полно учитывать в гидравлическом расчете. В системе отопления вода циркулирует по замкнутому контуру. Согласно уравнению Бернулли, разность давлений Δр на протяжении произвольного контура трубопровода системы должна быть равна сумме гидравлических потерь на трение Δр_тр и в местных сопротивлениях Δр_м.с.:

Δр = Δр_тр+ Δр_м.с (5.18)

Учитывая сложность расчета потерь давления на трение по формулам, обычно пользуются таблицами или номограммами. Потери давления на трение Δр_тр определяют по выражению

Δр_тр = Rl, (5.27)

где R — удельные потери давления на трение (отнесенные к 1 м длины трубы).

Значение R очевидно из формулы (5.19). Таблица для определе­ния значения удельных потерь давления на трение R, Па/м, в зависимости от скорости υ, м/с, или расхода G, кг/ч, воды, протекающей по трубам различного диаметра d, мм, приведена в прил. 7.

Потери давления в местных сопротивлениях Δр_м.с обычно обозначают буквой Z. Величину Z можно определить по формуле

Z = Σξ (5.28)

где ξ—коэффициент потерь давления в местном сопротивлении, или сокращенно коэффициент местного сопротивления.

Коэффициент ξ характеризует гидравлические особенности различных местных сопротивлений

В приложении 8 даны значения коэффициентов местных сопротивлений для различных элементов систем отопления. Численные значения коэффициентов ξ особенно для тройников и крестовин, зависят от абсолютных и относительных значений расходов проходящих потоков и диаметров труб, поэтому приведенные в приложении данные являются приближенными. Их достаточно надежно можно использовать для расчета двухтрубных систем и магистральных участков однотрубных систем.

Часть трубопровода системы, в пределах которой расход теплоносителя, а также диаметр трубы остаются неизменными, называют участком. На участке может быть несколько местных сопротивлений. Общие гидравлические потери давления Δр_i, в пределах расчетного участка i равны:

Δр_i = (Rl+Z)_i. (5.29)

Циркулирующие в системе отопления потоки последовательно проходят ряд участков. Потери давления на последовательно соединенных участках Δр равны сумме потерь давления на отдельных участках:

Δр = (5.30)

Трубопроводы системы отопления образуют ряд связанных между собой параллельных колец; в отдельных точках системы потоки расходятся, а в других сходятся, образуя как бы полукольца одного замкнутого контура. Перепады давлений, под влиянием которых происходит движение воды по каждому из полуколец между общими точками деления и слияния, будут одинаковыми. Так будет в изотермических условиях.

Можно сформулировать общее правило: потери давления на полукольцах между общими точками с учетом дополнительных гравитационных давлений равны между собой.

На рис. 5.6 приведены две схемы системы отопления: тупиковая и с попутным движением воды в подающей и обратной магистралях. Схемы начерчены упрощенно, на них изображены только магистрали и стояки без нагревательных приборов, арматуры и пр. На примере этих схем и на основе сформулированного общего правила удобно записать уравнения увязки отдельных полуколец трубопроводов в системе.

В тупиковой схеме в циркуляционном кольце стояков I и V потери на трение и в местных сопротивлениях на участке аг должны равняться сумме потерь на участках аб, бв и вг. В схеме с попутным движением в циркуляционном кольце стояков I и V сумма потерь на трение и в местных сопротивлениях на участках аг и гв должна равняться сумме потерь на участках аб и бв. Однако, поскольку в обеих схемах вода по пути от котла к стояку V охлаждается больше, чем по пути от котла к стояку I, и, следовательно, соответствующие гравитационные давления Δр_е для стояков I и V различны, расходуемое давление на рассматриваемых полукольцах трубопровода нужно записать в следующем виде:

для тупиковой схемы

Σ(Rl+Z)_аг = Σ(Rl+Z)_абвг –( Δр_{е абвг} - Δр_{е аг}) (5.31)

для схемы с попутным движением

Σ(Rl+Z)_авг = Σ(Rl+Z)_абв –( Δр_{е абв} - Δр_{е агв}) (5.32)

Гравитационное давление на каждом из параллельных ответвлений будет определяться по общей формуле (5.5). В данном случае необходимо, чтобы для каждого рассмотренного контура трубопроводов плоскость отсчета высот положения отдельных точек нагрева или охлаждения на полукольцах была общей. Обычно удобно производить отсчет от плоскости, проходящей через точки деления или слияния потоков циркуляционных контуров.

Методика гидравлического расчета трубопроводов систем водяного отопления.

Методика гидравлического расчета систем отопления основана на закономерностях циркуляции теплоносителя в системе трубопроводов и определяет последовательность проведения этого расчета. Обычно задача состоит в определении диаметров на отдельных участках при заданных расходах и давлениях. Расчет начинают с определения располагаемого циркуляционного давления. Величину Δр_р.ц определяют по формуле (5.15) для систем с естественной циркуляцией или по формуле (5.16) для насосных систем и систем, присоединенных к тепловой сети.

При расчете за главное (наиболее невыгодно рассоложенное в гидравлическом отношении) циркуляционное кольцо принимают то, для которого располагаемое циркуляционное давление на 1 м длины трубопровода оказывается наименьшим.

В тупиковых схемах двухтрубных систем (см.рис. 5.6, а) главным обычно оказывается циркуляционное кольцо, проходящее через нижний прибор дальнего стояка.

В тупиковых схемах однотрубных систем за главное принимается кольцо, проходящее через дальний стояк.

В схемах с попутным движением (см.рис. 5.6, б) протяженность колец через приборы нижнего этажа для всех стояков приблизительно одинаковая. В этом случае перепад давлений в системе заранее не ограничивают, а подбирают диаметры трубопроводов из условия предельно-допустимых скоростей движения теплоносителя и возможной увязки гидравлических потерь давления по отдельным параллельным полукольцам систем

В этом случае удобно в качестве главного принимать кольцо, проходящее через нижний прибор (в двухтрубной системе) одного из средних наиболее нагруженных стояков. Именно этот стояк в схемах с попутным движением (в том числе и однотрубных систем) оказывается наиболее невыгодным в гидравлическом отношении.

Задача гидравлического расчета главного циркуляционного кольца состоит в подборе диаметров его отдельных участков таким образом, чтобы суммарные потери давления по кольцу Σ(Rl+Z)_г.ц.в были на 5—10% меньше величины расчетного давления Δр_р.ц, т.е.

Σ(Rl+Z)_г.ц.в = (0,9 ... 0,95) Δр_р.ц (5.33)

Некоторый запас давления необходим на случай неучтенных в расчете гидравлических сопротивлений.

Рассчитанное таким образом главное циркуляционное кольцо принимается в дальнейшем расчете в качестве опорного для гидравлической увязки всех остальных колец системы. Все циркуляционные кольца системы как бы привязывают в гидравлическом отношении к главному кольцу. Для каждого циркуляционного кольца есть точки, общие с главным кольцом, где происходит деление или слияние потоков. Одно из полуколец между этими общими точками всегда составлено уже рассчитанными участками главного кольца. Задача состоит в подборе диаметров участков второго полукольца таким образом, чтобы гидравлические потери в них были (с учетом дополнительных гравитационных давлений) равны уже подсчитанным потерям давления между общими точками на участках главного циркуляционного кольца [см. формулу (5.31) или (5.32)].

При этом чем ближе значения тех и других потерь, тем лучше. Точно увязать потери давления в полукольцах не всегда удается, однако необходимо выдержать определенную величину невязки между ними. В системах водяного отопления СНиП допускают невязку до ± 15%.

Невязка между потерями давления в полукольцах, проходящих через приборы разных этажей стояков двухтрубных систем, нормами не ограничивается, так как она должна быть устранена при монтаж­ной регулировке системы с помощью кранов двойной регулировки.