Конструкции двухтрубных вертикальных систем водяного отопления (с верхней и нижней разводной), особенности их работы. Основные уравнения теплогидравлического расчёта.
Двухтрубная система водяного отопления — самая распространённая. В случае её применения, каждый отопительный элемент располагает двумя подходящими к нему трубами: прямой и обратной. Первая труба служит для подачи подогретой воды в прибор отопления. Вторая же — для отвода более охлаждённой воды.
Двухтрубная схема водяного отопления: а – с верхней разводкой; б – с нижней разводкой; 1 – главный стояк; 2 – обратный трубопровод; 3 – котел; 4 – расширительный бак; 5 – нагревательные приборы; 6 – перелив; 7 – предохранительный трубопровод; 8 – воздушная труба
Для двухтрубных систем возможно монтирование системы несколькими способами: 1) в форме звезды. При этом обратная и прямая трубы отходят от общего трубопровода к каждому прибору отопления. Следовательно, и прямая, и обратная трубы, которые идут от котла и к нему, имеют столько же ответвлений, сколько отопительных приборов было установлено в доме; 2) в виде шлейфа. При этом и прямая, и обратная трубы обходят последовательно каскад отопительных приборов. Если используется такая схема разводки, то те приборы отопления, которые располагаются ближе всего к котлу, нагреваются сильнее. Те же приборы, которые располагаются в самом конце, получают лишь остатки тепла, которое не успело перейти в предыдущих радиаторах каскада в помещения. Чтобы разница температур не была слишком большой, прибегают к увеличению сечения труб по мере приближённости к котлу.
Способы выполнения двухтрубной разводки: а – способ разводки «звезда»; б – способ разводки «шлейф»; 1 – прямая труба; 2 – обратная труба; 3 – отопительные приборы
Недостаток двухтрубной системы — потеря гидравлического давления в каждом контуре (то есть в каждом радиаторе). Следовательно, давление всё больше и больше падает по мере удаления от котла. Для того, чтобы обеспечить равное давление во всём каскаде отопительных приборов, нужно предусматривать специальные меры. Двухтрубные системы, в свою очередь, также подразделяются на системы тупиковые и системы с попутным движением теплоносителя в магистралях.
Методы гидравлического расчёта систем водяного отопления (удельных потерь напора на трение и гидравлических характеристик), области применения каждого из методов.
Гидравлический расчет проводится по законам гидравлики. Расчет основан на следующем принципе: при установившемся движении воды действующая в системе разность давлений (насосного и естественного) полностью расходуется на преодоление сопротивления движению.
Правильный гидравлический расчет предопределяет работоспособность системы отопления. Сейчас применяют множество методик гидравлического расчета, они трудоемки и чаще всего рассчитывают с помощью ЭВМ:
- метод удельных потерь давления на трение;
- метод сложения характеристик сопротивления;
- метод динамического давления;
- метод приведенных длин;
- метод перемещения единицы объема воды;
- метод эквивалентных сопротивлений.
Чаще всего применяют первые две методики расчета.
Первая: для расчета однотрубных и двухтрубных систем отопления.
Вторая: только для однотрубных систем отопления.
ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ СИСТЕМЫ ОТОПЛЕНИЯ ПО УДЕЛЬНЫМ ПОТЕРЯМ ДАВЛЕНИЯ НА ТРЕНИЕ
При расчете по этому способу линейные потери давления от трения R, Па/м, и местные потери давления, Z, Па, в системе отопления ΔPco , Па, находят по формуле:
ΔPco = k∑(R l + z) , (4)
где l – длина трубы, м;
k – переводной коэффициент (для СИ - k=1,0; для МКГСС - k=1,102);
z – потери давления в местных сопротивлениях, Па.
Рассмотрим последовательность выполнения гидравлического расчета.
1) На аксонометрической схеме выбирается главное циркуляционное кольцо. В двухтрубных системах водяного отопления (рис.1) оно проходит при тупиковой разводке магистралей через нижний отопительный прибор наиболее нагруженного и удаленного от теплового центра стояка, а при попутном движении воды в магистралях – через нижний прибор наиболее нагруженного среднего стояка;
Главное циркуляционное кольцо начинается от узла управления по ходу движения теплоносителя.
В однотрубных схемах отопления при тупиковом движении теплоносителя – это кольцо через наиболее нагруженный и удаленный от теплового пункта стояк, а при попутной схеме – через наиболее нагруженный средний стояк.
В двухтрубных системах – кольцо через нижний отопительный прибор аналогично выбранных стояков.
2) Главное циркуляционное кольцо разбиваем на расчетные участки (Участок – отрезок магистрали с постоянным G теплоносителя), где указывается G, кг/ч, длина l, м и d труб, мм;
Причем стояки проточные и проточно-регулируемые рассматриваются как один участок. Для стояков регулируемых с замыкающими участками и нетиповых стояков, стояки делятся на отдельные участки, в зависимости от распределения теплоносителя в трубах.
3) Для предварительного выбора диаметра трубопроводов определяют среднее значение удельного падения давления по главному циркуляционному кольцу, Па:
где b – поправочный коэффициент, учитывающий долю местных потерь
давления в системе [Спр. пр. Староверова, ч.I, т. II.21].
4) Определяем расход теплоносителя на расчетных участках, кг/ч:
где Qуч – тепловая нагрузка на расчетном участке, Вт.
5) Ориентируясь на величину Rcp, G и по предельно-допустимым скоростям движения теплоносителя [СНиП 2.04.05-91 прил.14], по Спр. пр. Староверова находится предварительный диаметр труб, фактические удельные потери R, и фактическая скорость теплоносителя v.
6) Определяют коэффициент местных сопротивлений [Спр. пр. Староверова, ч.I, т. II.10 ¸ II.20] ∑ξ, затем по известным значениям v и ∑ξ определяют Z, Па.
Местные сопротивления на границах 2х участков, относят к участку с меньшим G теплоносителя.
7) Общие потери давления на участке определяются (Rl + z) и записываются нарастающим итогом в главном циркуляционном кольце ∑(Rl + z).
8) После предварительного выбора диаметра труб главного циркуляционного кольца выполняется гидравлическая увязка ∑(Rl + z) с располагаемым давлением ΔPp, при этом выполняется условиe :
где ∑(Rl + z) – суммарные потери давления в главном циркуляционном кольце, Па.
Запас должен быть 5-10% на неучтенные потери. 9) Если указанное условие выполняется, тогда приступают к увязке давлений во второстепенных циркуляционных кольцах через промежуточные стояки с давлением в главном циркуляционном кольце без учета общих участков.
Для этого сначала определяют располагаемое давление через поправкой на разность естественного циркуляционного давления во второстепенном ΔPе.вт и основном ΔPе.осн стояках:
- однотрубные:
ΔPр.ст = ∑(R l + z)осн+ (ΔPе.вт– ΔPе.осн ) ,
- двухтрубные:
ΔPр.ст = ∑(R l + z)осн ,
10) После подбора диаметра труб стояка должно выполняться условие – потери давления в располагаемом стояке должно быть меньше располагаемого давления ΔPр.ст не больше чем на ± 15 % при тупиковой схеме и ± 5 % при попутной схеме движения теплоносителя:
ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ СИСТЕМЫ ОТОПЛЕНИЯ МЕТОДОМ СЛОЖЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК СОПРОТИВЛЕНИЙ
Метод сложения характеристик сопротивления применяют при проектировании насосных вертикальных и горизонтальных однотрубных систем, а также вертикальных двухтрубных систем с кранами повышенного сопротивления.
Гидравлический расчет может производиться для постоянного или переменного перепада температуры в стояках с учетом заданной проводимости труб.
При гидравлическом расчете по указанной методике потери давления на каждом расчетном участке от трения ΔPуч , Па, в местных сопротивлениях определяют по формуле:
где Gуч– расход воды на участке, кг/ч;
Sуч– характеристика сопротивления участка, Па/(кг/ч)2, вычисляем по формуле:
где Aуч– удельное динамическое давление в трубе на участке при внутреннем диаметре db и расходе 1 кг/ч, выбираемое по [5, табл. 10.7];
λ/db– приведенный коэффициент гидравлического трения, м–1,
lуч– длина участка, м;
∑ξуч– сумма коэффициентов местных сопротивлений на участке.