Тепловой расчет систем водяного отопления

СОДЕРЖАНИЕ

Центральные системы отопления…………………………………………………3

Гидравлический  расчет систем водяного отопления……………………………5

• Основные положения гидравлического расчета системы водяного отопления……………………………………………………………………5
• Способы гидравлического расчета систем водяного отопления……….10

Гидравлический  расчет систем водяного отопления по удельной линейной потере давления……………………………………………………………………16

Тепловой  расчет систем водяного отопления……………………………………34

Список  литературы…………………………………………………………………38 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ЦЕНТРАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ОТОПЛЕНИЯ

   Системы отопления бывают местные и центральные. В местных системах тепло вырабатывается непосредственно в отапливаемых помещениях. К местным системам относятся печное отопление, газовые камины, электрические нагреватели и др. В центральных системах тепло вырабатывается в одном центре, откуда распределяется в отапливаемые помещения. Таким центром могут быть домовые, квартальные или районные котельные или теплоэлектроцентрали   (ТЭЦ).

   Центральные системы отопления в сравнении с местными имеют следующие преимущества: высокий коэффициент полезного действия; возможность эффективного сжигания низкосортных видов топлива; сокращение эксплуатационных затрат.

   По способу циркуляции воды системы центрального водяного отопления делятся на системы с естественной и искусственной (насосной) циркуляцией воды. В зависимости от конструкции стояков и схемы присоединения к ним нагревательных приборов системы отопления могут быть однотрубные и двухтрубные. По месторасположению разводящих магистралей системы отопления подразделяют на системы с верхней и нижней разводками, с вертикальной и горизонтальной разводками внутри здания.

   В зависимости от направления движения теплоносителя в магистральных трубопроводах системы отопления могут быть тупиковые и с попутным движением воды.

   Теплоносителем в системах центрального отопления может быть вода с температурой 95—105° С, пар с температурой 120—130° С и воздух с температурой 45— 70° С; соответствующие системы называют системами водяного, парового или воздушного отопления.

   Достоинство воздуха как теплоносителя заключается в его большой подвижности. Будучи нагретым, он имеет меньшую плотность, расширяясь, легко перемещается вверх по каналам. Отдав часть своего тепла помещению и охладившись, он становится тяжелее и устремляется по обратным каналам вниз. Если теплоносителем является вода или воздух, то температуру можно регулировать в соответствии с температурой наружного воздуха. Пар дает возможность регулировать теплоотдачу приборов только в сложных вакуумсистемах при давлении ниже атмосферного. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ  РАСЧЕТ СИСТЕМ ВОДЯНОГО ОТОПЛЕНИЯ 

   Основные положения гидравлического расчета системы водяного отопления 
    Система водяного отопления представляет собой разветвленную закольцованную сеть труб и приборов, заполненных водой. Вода в течение отопительного сезона находится в постоянном кругообороте. По трубам -теплопроводам - нагретая вода распределяется по отопительным приборам, охлажденная в приборах вода собирается воедино, нагревается в теплообменнике и вновь направляется к приборам. Теплопроводы предназначены для доставки и передачи в каждое помещение обогреваемого здания необходимого количества тепловой энергии. Так как теплопередача происходит при охлаждении определенного количества воды, требуется выполнить  гидравлический  расчет  системы. 
   Гидравлический расчет проводится в соответствии с законами гидравлики. Расчет основан на следующем принципе: при установившемся движении воды действующая в системе разность давления (насосного или естественного) полностью расходуется на преодоление гидравлического сопротивления  движению. 
   Правильный гидравлический расчет предопределяет работоспособность системы отопления. Точный расчет системы связан с решением большого числа нелинейных уравнений. Решение упрощается при выполнении требований СНиП применять трубы по имеющемуся сортаменту. В этих условиях гидравлический расчет заключается в подборе по сортаменту площади поперечного сечения (диаметра) труб, достаточной для подачи нужного количества воды в приборы системы. Потери давления при перемещении требуемого количества воды по трубам принятого диаметра определяют  гидравлическое  сопротивление  системы. 
   Гидравлическое сопротивление системы должно соответствовать действующей разности давления, а в расчетных условиях циркуляции воды - расчетному  циркуляционному  давлению. 
   Гидравлический расчет выполняют по пространственной схеме системы отопления, вычерчиваемой обычно в аксонометрической проекции. На схеме системы выявляют циркуляционные кольца, делят их на участки и наносят тепловые нагрузки. В циркуляционное кольцо могут быть включены один (двухтрубная система) или несколько (однотрубная система) отопительных приборов, теплогенератор или теплообменник, а также побудитель циркуляции теплоносителя в насосной системе отопления. 
Участком называют трубу или трубы с одним и тем же расходом теплоносителя. Последовательно соединенные участки, образующие замкнутый контур циркуляции воды через теплогенератор (теплообменник), составляют  циркуляционное  кольцо  системы. 
   Тепловая нагрузка прибора (точнее прибора с прилегающим этаже стояком) принимается равной расчетным теплопотерям помещений Q_п (за вычетом теплопоступлений, если они имеются).

   Тепловая нагрузка участка Q_yч составляется из тепловых нагрузок приборов, обслуживаемых  протекающей  по  участку  водой: 
                                                 (1.1)                                                
Для участка подающего теплопровода тепловая нагрузка выражает запас теплоты в протекающей горячей воде, предназначенной для последующей (на дальнейшем пути воды) теплопередачи в помещения. Для участка обратного теплопровода - потери теплоты протекающей охлажденной водой при теплопередаче в помещения (на предшествующем пути воды). Тепловая нагрузка участка предназначена для определения расхода воды на участке в процессе  гидравлического  расчета. 
Расход воды на участке G_уч при расчетной разности температуры воды в системе t_г-t_х  с учетом дополнительной теплоподачи в помещения 
                             (1.2)                                                 
где Q_yч- тепловая нагрузка участка, найденная по формуле (1.1);     

 β₁β₂ - поправочные коэффициенты, учитывающие дополнительную теплоподачу в помещения;      

 с  - удельная массовая теплоемкость  воды, равная 4,187 кДж/(кг°С). 
    Для получения расхода воды на участке в кг/ч тепловую нагрузку в Вт следует выразить в кДж/ч, т.е. умножить на (3600/1000)=3,6. 
 
   Тепловая нагрузка системы отопления в целом равна сумме тепловых нагрузок всех отопительных приборов (теплопотерь помещений). По общей теплопотребности для отопления здания определяют расход воды в системе отопления . 
                      (1.3)                                   
Гидравлический расчет связан с тепловым расчетом отопительных приборов и труб. Требуется многократное повторение расчетов для выявления действительных расхода и температуры воды, необходимой площади приборов. При расчете вручную сначала выполняют гидравлический расчет системы, принимая средние значения коэффициента местного сопротивления (КМС) приборов, затем - тепловой расчет труб и приборов. 
Если в системе применяют конвекторы, в конструкцию которых входят трубы Dy15 и Dy20, то для более точного расчета предварительно определяют длину этих труб, а после гидравлического расчета с учетом потерь давления в трубах приборов, уточнив расход и температуру воды, вносят поправки в размеры приборов.

   При гидравлическом расчете потери давления на каждом участке ∆р_уч, Па, циркуляционных колец системы отопления определяют по формуле Дарси-Вейсбаха, известной из курса гидравлики 
            (1.4)               где λ -коэффициент гидравлического трения, определяющий в долях гидродинамического давления (pw² /2,  Па)  линейную  потери гидростатического давления на длине трубы, равной ее внутреннему диаметру d_в, м;    

 l_уч - длина участка, м;

      ∑ζ_уч - сумма КМС на участке, выражающая местные потери гидростатического давления в долях гидродинамического давления (значения КМС приведены в справочной литературе);

   р и w - соответственно средняя плотность, кг/м , и скорость движения, м/с, воды  на  участке. 

   По формуле (3.4) находят падение гидростатического давления в потоке воды вследствие линейной потери (первое слагаемое) при трении о стенки трубы и местных сопротивлений (второе слагаемое) из-за деформации потока в фасонных  частях,  арматуре  и  приборах. 
   Коэффициент гидравлического трения λ, зависит от режима движения жидкости (ламинарного или турбулентного) в трубах и приборах систем отопления. 
   При ламинарном движении воды коэффициент гидравлического трения по формуле Пуазейля с поправкой на шероховатость труб (действительная в диапазоне изменения числа Рейнольдса от 300 до 7000) 
                                    (1.5)                                                  
где Re - число Рейнольдса (Re = wd_в / v);

k_з - эквивалентная шероховатость внутренней поверхности труб (в системах водяного  отопления  принимают  k_з=0,2  мм). 

   При турбулентном движении воды в трубах (во всей области турбулентного режима от гидравлически гладких до вполне шероховатых труб) наиболее часто (с учетом зарубежной практики) используют формулу Колбрука (в отечественной практике применяют также формулу А.Д. Альтшуля) 
    

.       (1.6)                 Турбулентное движение воды наблюдается в современных насосных системах (особенно однотрубных) многоэтажных зданий. 
Ламинарное движение встречается в чугунных отопительных приборах и в трубах систем с естественной циркуляцией воды малоэтажных зданий. 
Коэффициент гидравлического трения дополнительно возрастает при малой скорости движения в связи со значительным охлаждением воды в трубах. 
Коэффициент местного сопротивления (КМС) зависит в основном от геометрической формы препятствий движению (арматура, приборы, воздухосборники, грязевики, коллекторы и т.п.), изменения направления движения и расхода воды (в тройниках, крестовинах, отводах, скобах, утках, калачах  и  других  фасонных  частях). 
   Значения КМС, как правило, определяют опытным путем, и при гидравлических расчетах насосных систем отопления усредняют (хотя известно, что ж увеличивается под влиянием вязкости при малой скорости движения вода). Для тройников и крестовин находят по отдельности значения КМС для прямых проходов и ответвлений, отнесенные к гидродинамическому давлению в потоках до их слияния или после деления в этих фасонных частях, т.е. к участкам с меньшим расходом вода. Например, КМС равностороннего тройника при делении потока воды пополам составляют на проходе 2,2, на ответвлении 5,4. При слиянии равных потоков - соответственно 2,2 и 2,0. Число 2,0 означает, что потеря гидростатического давления при слиянии бокового потока с прямым равна двум единицам гидродинамического давления, причем последнее подсчитано по значению скорости движения воды в боковом ответвлении.  

  Способы гидравлического  расчета системы  водяного отопления 
  Гидравлический расчет системы водяного отопления выполняют различными способами. Рассмотрим наиболее распространенные из них. 
Первый способ гидравлического расчета - по удельной линейной потере давления, когда подбирают диаметр труб при равных (или, как иногда говорят, постоянных) перепадах температуры воды во всех стояках и ветвях ∆t_ст, соответствующих расчетному перепаду температуры воды во всей  системе  ∆t_c 
                                                                    (1.7)                                                 
причем ∆t_c =t_r -t_o. 
   Предварительно вычисляют расход воды на каждом участке по формуле (1.2). Потери давления на трение и местные сопротивления на участке определяют раздельно по преобразованной формуле (1.4)                 (1.8)                   
где R = (λ/d_в)(pw²/ 2) - удельная потеря давления на трение на длине 1 м, Па/м;      

Z = 2ζ_уч (pw² / 2) - потери давления на местные сопротивления, Па. 

   Потери давления в циркуляционном кольце системы: при последовательном соединении  N  участков 
                                                                (1.9)                     

т.е. равны  сумме потерь давления на участках, составляющих кольцо; при параллельном соединении двух участков, стояков  или ветвей 
                                                                                   (1.10)                                   
т.е. потери давления на параллельно соединенных участках, стояках или ветвях равны.

   Второй способ гидравлического расчета - по характеристикам сопротивления  и  проводимостям, когда устанавливают распределение потоков воды в циркуляционных кольцах системы и получают неравные (употребляют так же термины: переменные, скользящие) перепады температуры воды в стояках и ветвях     

                                                                     (1.11)                                                         
   При этом допускают отклонение ∆t_ст на ±7 °С (при t_r до 115 °С) и ограничивают минимальную температуру воды, уходящей из стояков и ветвей в расчетных условиях, 60 °С. Предварительно выбирают диаметр труб на каждом участке с учетом допустимой скорости движения воды и конструктивных  соображений.