Гідравлічний розрахунок трубопроводів

4.1. Розрахунковий циркуляційний тиск у системі водяного опалення

Перед виконанням гідравлічного розрахунку трубопроводів обчислюють розрахунковий циркуляційний тиск ∆Р_р, Па, тобто величину різниці тисків, яка може бути витрачена на подолання опору тертя та місцевих опорів у системі опалення

∆Р_р=∆Р_н+Б∆Р_пр, (25)

де ∆Р_н – тиск, що створює циркуляційний насос, Па; ∆Р_пр – природний тиск, що виникає внаслідок охолодження води в опалювальних приладах і трубопроводах системи опалення, Па; Б – коефіцієнт, що являє собою частку максимального природного тиску, яку необхідно враховувати в розрахункових умовах. Для насосних однотрубних горизонтальних систем водяного опалення приймають Б=0,4.

Розрахунковий природний тиск в однотрубних горизонтальних системах водяного опалення з поквартирними приладовими вітками визначають для кожної вітки за формулою:

∆Р_пр.і=gh_i(ρ_о – ρ_г), (26)

де g=9,81 м/с² – прискорення вільного падіння; h_i – вертикальна відстань між центром нагрівання і центром охолодження води в опалювальних приладах горизонтальної приладової вітки і-го поверху, м; ρ_о і ρ_г – відповідно густина охолодженої і гарячої води в системі опалення, кг/м³. При розрахунковому перепаді температур води t_г - t_о= 95-70⁰С,
ρ_о =977,81 кг/м³ і ρ_г=961,92 кг/м³.

Центр нагрівання води в індивідуальному тепловому пункті беруть по осі подавального трубопроводу теплового вузла, що проходить на відстані 1300 мм від підлоги підвалу.

Насос, включений в замкнуте кільце системи водяного опалення, воду не піднімає, а лише переміщує, підтримуючи її циркуляцію, і тому називається циркуляційним (на відміну від підживлювальних та підвищувальних насосів).

Потужність циркуляційного насоса визначається кількістю води, яку він переміщує, та створюваним тиском. Витрата води в системі опалення G_с.о., кг/год, визначається за формулою

G_с.о..= . (27)

Значення необхідного циркуляційного тиску ∆Р_н насоса можна одержати із формули (25), якщо розрахунковий тиск ∆Р_р дорівнює сумарним втратам тиску ∑ ∆Р_і , визначеним у результаті гідравлічного розрахунку системи опалення з заданими діаметрами трубопроводів. В іншому випадку необхідно спочатку вибрати типорозмір насоса і тоді, добавивши до ∆Р_н величину ∆Р_пр, визначити розрахунковий циркуляційний тиск ∆Р_р для вибору діаметрів трубопроводів і виконання гідравлічного розрахунку.

Кожен насос має свою характеристику (робочу криву), одержану в результаті стендових випробувань. Характеристика показує залежність між витратою насоса G_н та тиском ∆Р_н і при відповідній частоті обертів електродвигуна. Для забезпечення розрахункових витрат води і циркуляційного тиску при дії насоса рекомендується при його виборі орієнтуватися на максимальне значення ККД.

Потужність електродвигуна N_ел насоса, Вт, визначається з врахуванням ККД насоса ζ_н та необхідного запасу потужності к (орієнтовно 1,5) на пусковий момент за формулою:

N_ел = . (28)

Для систем опалення, приєднаних до теплових мереж центрального теплопостачання, необхідно знижувати температуру води Т₁ , що надходить з теплової мережі до допустимої t_г в системі. Це відбувається в тепловому пункті підмішуванням у високотемпературну воду води із зворотньої магістралі, охолодженої в системі опалення до температури t_о.

Кількість високотемпературної води G₁ при відомій тепловій потужності опалення Q_с.о. буде тим меншою, чим вища температура Т₁:

G₁= (29)

де Т₂ – температура води в зворотній магістралі_, ^оС, беруть Т₂ = 70 ^оС.

Співвідношення витрат води, охолодженої в системі опалення G_с.о. та високотемпературної G₁ називають коефіцієнтом змішування U

U = G_с.о. / G₁ , (30)

який можна виразити через температуру води:

U = (31)

Якщо опалювальні прилади сходових кліток приєднані перед підмішувальним насосом, то в формулі (31) замість Т₁ треба взяти її фактичну температуру перед підмішувальним насосом Т₁^ф, яку обчислюють за формулою:

Т₁^ф = Т₁ - (32)

де Q_с.к – розрахункові тепловтрати сходових кліток, Вт.

Якщо опалювальні прилади сходових кліток приєднують перед підмішувальним насосом величину Т_г^ф обчислюють за формулою:

Т_г^ф= Т_г - (33)

де Q_с.к. – розрахункова теплова потужність системи опалення сходових кліток, Вт; G_т.м. – розрахункова втрата води, кг/год, що надходить із теплової мережі в систему опалення:

G_т.м.= (34)

де Q_с.о. – розрахункова теплова потужність системи опалення будинку, обчислена за формулою (10) без урахування втрат теплоти в сходових клітках, Вт.

Центр охолодження в опалювальному приладі знаходиться на середині цього приладу, а при русі води в ньому „знизу-вниз” – на рівні приєднання трубопроводів до опалювального приладу.

Оскільки величина природного тиску ∆Р_пр.і залежить від величини h_i, то і розрахунковий циркуляційний тиск ∆Р_рі необхідно обчислювати для циркуляційних кілець, що проходять через горизонтальні приладові вітки всіх поверхів.

4.2. Послідовність гідравлічного розрахунку трубопроводів

Гідравлічний розрахунок трубопроводів є найбільш складним, трудомістким і важливим етапом при проектуванні системи опалення. Перед його проведенням мають бути:

- визначені теплова потужність системи опалення та теплове навантаження опалювальних приладів і стояків для всіх приміщень;

- вибрані принципові схемі системи опалення і параметри теплоносія;

- вибраний тип і спосіб установки опалювальних приладів;

- конструктивно вирішена система опалення; на планах будинку розміщені опалювальні прилади, стояки, подавальні та зворотні магістральні трубопроводи, визначене місце розташування вузла вводу тепломережі в індивідуальному тепловому пункті (ІТП) будинку;

- накреслена аксометрична схема системи опалення;

- визначений розрахунковий циркуляційний тиск у системі опалення.

Гідравлічний розрахунок трубопроводів виконують після розробки розрахункової схеми системи опалення.

На розрахунковій схемі вказують номер, теплове навантаження і довжину розрахункових ділянок циркуляційних кілець.

Циркуляційним кільцем у системі опалення називають замкнений контур, що включає послідовно розташовані ділянки трубопроводів за ходом руху теплоносія: тепловий центр (ІТП) – опалювальний прилад (приладова вітка або стояк) – тепловий центр. Отже, довжиною циркуляційною кільця є сума довжин послідовно розташованих ділянок трубопроводів, по яких вода, виходячи із теплового центра і проходячи будь-який опалювальний прилад (приладову вітку або стояк), повертається у тепловий центр.

Гідравлічний розрахунок трубопроводів, як правило, починають з основного (головного) циркуляційного кільця, після чого розраховують інші (другорядні) кільця. Головним вважається кільце, що знаходиться у найнесприятливіших умовах: в однотрубних насосних поквартирних системах водяного опалення основне циркуляційне кільце проходить через найбільш навантажену і найвіддаленішу від ІТП приладову вітку на верхньому (останньому) поверсі будинку.

Кожне циркуляційне кільце, починаючи з основного, розбивають на розрахункові ділянки. Розрахунковою є ділянка трубопроводу постійного діаметра з незмінною витратою води

4.3. Гідравлічний розрахунок трубопроводів систем водяного

опалення методом характеристик опору

Втрату тиску в розрахунковій ділянці трубопроводу за методом характеристик опору обчислюють за формулою:

∆Р=SG², (35)

де S – характеристика опору розрахункової ділянки трубопроводу, Па/(кг/год)²; G – витрата води в розрахунковій ділянці трубопроводу, кг/год.

Характеристики опорів уніфікованих вузлів систем водяного опалення наведені в довідниковій літературі. В інших випадках характеристику опору будь-якої розрахункової ділянки трубопроводів обчислюють за формулою:

S=Aξ_прив, (36)

де А – питомий динамічний тиск, Па/(кг/год)² у розрахунковій ділянці трубопроводу, що виникає при втраті води в ній G=1 кг/год;
ξ_зв – зведений коефіцієнт опору розрахункової ділянки трубопроводу, який визначають за формулою:

ξ_прив= (37)

де – зведений коефіцієнт тертя труби, м^-1; l – довжина розрахункової ділянки трубопроводу, м; ∑ξ – сума коефіцієнтів місцевих опорів на розрахунковій ділянці трубопроводу.

Величини гідравлічних характеристик А, і для сталевих труб, що застосовують у сучасних системах опалення, із середньою температурою води t=60⁰С, яка відповідає середній температурі за опалювальний сезон, наведені в [7,8].

Використання величини дозволяє за заданими витратою води G і діаметром труби обчислити швидкість теплоносія V, м/с, діленням витрати води G на величину , тобто:

V= . (38)

Значення характеристики опору S може бути визначено як для окремої ділянки трубопроводу, так і для частини мережі, що складається з послідовних і паралельних ділянок трубопроводів. Так, характеристика опору послідовно розташованих ділянок трубопроводів із постійною витратою води дорівнює сумі характеристик опору цих ділянок, тобто:

S_1+i=S₁+S₂+…+S_i, (39)

де S₁+S₂+…+S_i – характеристики опору послідовно розташованих трубопроводів, визначені за формулою (36) або взяті за [7,8].

На рис. 6 і 7 зображені фрагменти розрахункової схеми трубопроводів однотрубної по квартирної системи опалення.

Рис 6. Розрахункова схема подавальних і зворотніх трубопроводів системи опалення