Глава 8. Гидравлический расчет систем водяного отопления

§ 8.1. 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 до-ставки и передачи б каждое помещение обогреваемого здания необходимого количества тепловой энергии. Так как теплопередача происходит при охлаждении определенного ко-личества 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 и естественного) полностью расходуется на преодоление гидравлического сопротивления движению.

Правильный гидравлический расчет предопределяет работоспособность системы отопле-ния. Точный расчет системы связан с решением большого числа нелинейных уравнений. Решение упрощается при выполнении требований СНиП применять трубы по имеющему-ся сортаменту. В этих условиях гидравлический расчет заключается в подборе по сорта-менту площади поперечного сечения (диаметра) труб, достаточной для подачи нужного количества воды в приборы системы. Потери давления при перемещении требуемого ко-личества воды по трубам принятого диаметра определяют гидравлическое сопротивление системы.

Гидравлическое сопротивление системы, как установлено ранее, должно соответствовать действующей разности давления, а в расчетных условиях циркуляции воды - расчетному циркуляционному давлению (см. § 7.5).

Гидравлический расчет выполняют по пространственной схеме системы отопления, вы-черчиваемой обычно в аксонометрической проекции. На схеме системы выявляют цирку-ляционные 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. После-довательно соединенные участки, образующие замкнутый контур циркуляции воды через теплогенератор (теплообменник), составляют циркуляционное кольцо системы.

Тепловая нагрузка прибора (точнее прибора с прилегающим эта - жестояком) принима-ется равной расчетным теплопотерям помещений Q_п (за вычетом теплопоступлений, если они имеются).

209

Тепловая нагрузка участка Q_yч составляется из тепловых нагрузок приборов, обслужи-ваемых протекающей по участку водой:

Для участка подающего теплопровода тепловая нагрузка выражает запас теплоты в проте-кающей горячей воде, предназначенной для последующей (на дальнейшем пути воды) теплопередачи в помещения. Для участка обратного теплопровода - потери теплоты про-текающей охлажденной водой при теплопередаче в помещения (на предшествующем пути воды). Тепловая нагрузка участка предназначена для определения расхода воды на участ-ке в процессе гидравлического расчета.

Расход воды на участке О_уч при расчетной разности температуры воды в системе t_r- t_о по аналогии с формулой (3.7) с учетом дополнительной теплоподачи в помещения

где Q_yч- тепловая нагрузка участка, найденная по формуле (8.1); β₁,β₂ - поправочные ко-эффициенты, учитывающие дополнительную теплоподачу в помещения (см. пояснения к формуле (4.21)); 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.

Пример 8.1. Тепловая нагрузка участка равна 7000 Вт (включая поправочные коэффици-енты β₁ и β₂). Это означает, что вода, протекающая на участке, передает (или уже переда-ла, если это участок обратного теплопровода) в помещения тепловой поток в 7000 Вт. Ес-ли при этом вода охладится (или уже охладилась) от 95 до 70 °С, т.е. на 25 °С, то расход воды на участке по формуле (8.2) составит

Тепловая нагрузка системы отопления в целом равна сумме тепловых нагрузок всех отопительных приборов (теплопотерь помещений). По общей теплопотребности для отоп-ления здания определяют расход воды в системе отопления (см. формулу (3.7))

(пояснения - см. формулу (8.2)).

Гидравлический расчет связан с тепловым расчетом отопительных приборов и труб. Тре-буется многократное повторение расчетов для выявления действительных расхода и тем-пературы воды, необходимой площади приборов. Для этого используют ЭВМ. При расче-те вручную сначала выполняют гидравлический расчет системы, принимая средние зна-чения коэффициента местного сопротивления (КМС) приборов, затем - тепловой расчет труб и приборов.

Если в системе применяют конвекторы, в конструкцию которых входят трубы D_y15 и D_y20, то для более точного расчета предварительно определяют длину этих труб, а после

210

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, циркуляцион-ных колец системы отопления определяют по формуле Дарси-Вейсбаха, известной из кур-са гидравлики

где λ - коэффициент гидравлического трения, определяющий в долях гидродинамического давления (ρw² / 2, Па) линейную потери гидростатического давления на длине трубы, рав-ной ее внутреннему диаметру d_B, м; 1_уч - длина участка, м; ΣC_yч - сумма КМС на участке, выражающая местные потери гидростатического давления в долях гидродинамического давления (значения КМС приведены в справочной литературе); ρ и w - соответственно средняя плотность, кг/м³, и скорость движения, м/с, воды на участке.

По формуле (8.4) находят падение гидростатического давления в потоке воды вследствие линейной потери (первое слагаемое) при трении о стенки трубы и местных сопротивле-ний (второе слагаемое) из-за деформации потока в фасонных частях, арматуре и прибо-рах.

Коэффициент гидравлического трения А, зависит от режима движения жидкости (ла-минарного или турбулентного) в трубах и приборах систем отопления.

При ламинарном движении воды коэффициент гидравлического трения по формуле Пуа-зейля с поправкой на шероховатость труб (действительная в диапазоне изменения числа Рейнольдса от 300 до 7000)

где Re - число Рейнольдса (Re = wd_в / v); k₃ - эквивалентная шероховатость внутренней поверхности труб (в системах водяного отопления принимают k₃=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 зарубеж-ной практики) используют формулу Колбрука (в отечественной практике применяют так-же формулу А.Д. Альтшуля)

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, коллек-

211

торы 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 от-дельности значения КМС для прямых проходов и ответвлений, отнесенные к гидродина-мическому 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 слия-нии равных потоков - соответственно 2,2 и 2,0. Число 2,0 означает, что потеря гидроста-тического давления при слиянии бокового потока с прямым равна двум единицам гидро-динамического давления, причем последнее подсчитано по значению скорости движения воды в боковом ответвлении.