Гидравлическое сопротивление системы отопления

Гидравлическое сопротивление системы отопления

Расчет гидравлического сопротивления в системе отопления.

Ниже будут реальные задачи.

Вы, конечно, можете воспользоваться специальными программами, для этого, но пользоваться программами весьма затруднительно, если вы не знаете основ гидравлики. Что касается некоторых программ, то в них не разжевываются формулы, по которым происходит гидравлический расчет. В некоторых программах не описываются некоторые особенности по разветвлению трубопроводов, и нахождению сопротивления в сложных схемах. И весьма затруднительно считать, это требует дополнительного образования и научно-технического подхода.

В этой статье я раскрываю для Вас абсолютный расчет (алгоритм) по нахождению гидравлического сопротивления.

Существуют местные гидравлические сопротивления, которые создают различные элементы систем, например: Шаровый кран, различные повороты, заужения или расширения, трайники и тому подобное. Казалось бы, с поворотами и сужениями понятно, а расширения в трубах тоже создают гидравлические сопротивления.

Протяженность прямой трубы тоже создает сопротивление движению. Вроде прямая труба без сужений, а все равно создает сопротивление движению. И чем длиннее труба, тем больше сопротивление в ней.

Эти сопротивления, хоть и отличаются, но для системы отопления они просто создают сопротивление движению, а вот формулы по нахождению этого сопротивления отличаются между собой.

Для системы отопления не важно, какое это сопротивление местное или по длине трубопровода. Это сопротивление одинаково действует на движение воды в трубопроводе.

Сопротивление будем измерять в метрах водяного столба. Также сопротивление можно обзывать как потеря напора в трубопроводе. Но только однозначно это сопротивление измеряется в метрах водяного столба, либо переводится в другие единицы измерения, например: Bar, атмосфера, Па (Паскаль) и тому подобное.

Что такое сопротивление в трубопроводе?

Чтобы понять это рассмотрим участок трубы.

Манометры, установленные на подающей и обратной ветке трубопроводов, показывают давление на подающей трубе и на обратной трубе. Разница между манометрами показывает перепад давления между двумя точками до насоса и после насоса.

Для примера предположим, что на подающем трубопроводе (справа) стрелка манометра указывает на 2,3 Bar, а на обратном трубопроводе (слева) стрелка манометра показывает 0,9 Bar. Это означает, что перепад давления составляет:

Величину Bar переводим в метры водяного столба, оно составляет 14 метров.

Очень важно понять, что перепад давления, напор насоса и сопротивление в трубе – это величины, которые измеряются давлением (Метрами водяного столба, Bar, Па и т.д.)

В данном случае, как указано на изображение с манометрами, разница на манометрах показывает не только перепад давления между двумя точками, но и напор насоса в данном конкретном времени, а также показывает сопротивление в трубопроводе со всеми элементами, встречающимися на пути трубопровода.

Другими словами, сопротивление системы отопления это и есть перепад давления в пути трубопровода. Насос создает этот перепад давления.

Устанавливая манометры на две разные точки, можно будет находить потери напора в разных точках трубопровода, на которые Вы установите манометры.

На стадии проектирования нет возможности создавать похожие развязки и устанавливать на них манометры, а если имеется такая возможность, то она очень затратная. Для точного расчета перепада давления манометры должны быть установлены на одинаковые трубопроводы, то есть исключить в них разность диаметров и исключить разность направление движения жидкости. Также манометры не должны быть на разных высотах от уровня горизонта.

Ученые приготовили для нас полезные формулы, которые помогают находить потери напора теоретическим способом, не прибегая к практическим проверкам.

Разберем сопротивление водяного теплого пола. Смотри изображение.

Труба металлопластиковая 16мм, внутренний диаметр 12мм.
длина трубы 40 м.
По условию обогрева, расход в контуре должен быть 1,6 л/мин
Поворотов 90 градусов соответствует: 30 шт.
Температура теплоносителя (воды): 40 градусов Цельсия.

Для решения данной задачи были использованы следующие материалы:

Первым делом находим скорость течения в трубе.

Q= 1,6 л/мин = 0,096 м 3 /ч = 0,000026666 м 3 /сек.

V = (4•0,000026666)/(3,14•0,012•0,012)=0,24 м/с

Находим число Рейнольдса

ν=0,65•10 -6 =0,00000065. Взято из таблицы. Для воды при температуре 40°С.

Δэ=0,01мм=0,00001м. Взято из таблицы, для металлопластиковой трубы.

Далее сверяемся по таблице, где находим формулу по нахождению коэффициента гидравлического трения.

У меня попадает на первую область при условии

4000 0,25 = 0,3164/4430 0,25 = 0,039

Далее завершаем формулой:

h=λ•(L•V 2 )/(D•2•g)= 0,039•(40•0,24•0,24)/(0,012•2•9,81)= 0,38 м.

Находим сопротивление на поворотах

h=ζ•(V 2 )/2•9,81=(0,31•0,24 2 )/( 2•9,81)= 0,00091 м.

Данное число умножаем на количество поворотов 90 градусов

В итоге полное сопротивление уложенной трубы составляет: 0,38+0,0273=0,4 м.

Теория о местном сопротивление

Хочу подметить процесс вычисления местных сопротивлений на поворотах и различных расширений и сужений в трубопроводе.

Потеря напора на местном сопротивление находится по этой формуле:

h-потеря напора здесь она измеряется в метрах.
ζ-Это коэффициент сопротивления, он будет находиться дополнительными формулами, о которых напишу ниже.
V – скорость потока жидкости. Измеряется [Метр/секунда].
g – ускорение свободного падения равен 9,81 м/с 2

В этой формуле меняется только коэффициент местного сопротивления, коэффициент местного сопротивления для каждого элемента свой.

Подробнее о нахождение коэффициента

Обычный отвод в 90 градусов.

Коэффициент местного сопротивления составляет примерно единице.

Формула для других углов:

Постепенный или плавный поворот трубы

Постепенный поворот трубы (отвод или закруглённое колено) значительно уменьшает гидравлическое сопротивление. Величина потерь существенно зависит от отношения R/d и угла α.

Коэффициент местного сопротивления для плавного поворота можно определить по экспериментальным формулам. Для поворота под углом 90° и R/d>1 он равен:

для угла поворота более 100°

Для угла поворота менее 70°

Для теплого пола, поворот трубы в 90° составляет: 0,31-0,51

где n степень сужения трубы.

ω1, ω2 – сечение внутреннего прохода трубы.

В формулу вставляется скорость течения в трубе с малым диаметром.

В формулу вставляется скорость течения в трубе с малым диаметром.

Также существуют и плавные расширения и сужения, но в них сопротивление потоку уже значительно ниже.

Внезапное расширение и сужение встречается очень часто, например, при входе в радиатор получается внезапное расширение, а при уходе жидкости из радиатора внезапное сужение. Также внезапное расширение и сужение наблюдается в гидрострелках и коллекторах.

Более детально о разветвлениях поговорим в других статьях.

Находим сопротивление для радиаторной системы отопления. Смотри изображение.

Труба металлопластиковая 16мм, внутренний диаметр 12мм.
Длина трубы 5 м.
По условию обогрева, расход в контуре радиатора должен быть 2 л/мин
Плавных поворотов 90 градусов соответствует: 2 шт.
Отводов 90 градусов: 2шт.
Внезапное расширение на входе в радиатор: 1шт.
Внезапное сужение на выходе из радиатора: 1шт.
Температура теплоносителя (воды): 60 градусов Цельсия.

Для начала посчитаем сопротивление по длине трубопровода.

Первым делом находим скорость течения в трубе.

Q= 2 л/мин = 0,096 м 3 /ч = 0,000033333 м 3 /сек.

V = (4•0,000033333)/(3,14•0,012•0,012)=0,29 м/с

Находим число Рейнольдса

ν=0,65•10 -6 =0,000000475. Взято из таблицы. Для воды при температуре 60°С.

Δэ=0,01мм=0,00001м. Взято из таблицы, для металлопластиковой трубы.

Далее сверяемся по таблице, где находим формулу по нахождению коэффициента гидравлического трения. У меня попадает на первую область при условии

4000 0,25 = 0,3164/7326 0,25 = 0,034

Далее завершаем формулой:

h=λ•(L•V 2 )/(D•2•g)= 0,034•(5•0,29•0,29)/(0,012•2•9,81)= 0,06 м.

Находим сопротивление на плавном повороте

h=ζ•(V 2 )/2•9,81=(0,31•0,292)/( 2•9,81)= 0,0013 м.

Данное число умножаем на количество поворотов 90 градусов

Находим сопротивление на коленном (прямом 90°) повороте

Там, где имеется сужение и расширение – это тоже будет являться гидравлическим сопротивлением. Я не стану считать сужение и расширение на металлопластиковых фитингах, так как далее мы все равно затронем эту тему. Потом сами посчитаете.

h=ζ•(V 2 )/2•9,81=(2•0,292)/( 2•9,81)= 0,0086 м.

Данное число умножаем на количество поворотов 90 градусов

Находим сопротивление на входе в радиатор.

Вход в радиатор – это ни что иное как расширение трубопровода, поэтому коэффициент местного сопротивления будем находить для трубы идущий на резкое расширение.

Минимальный диаметр примем за 15мм, а максимальный диаметр у радиатора примем за 25мм.

Находим площадь сечения двух разных диаметров:

ω1 = π • D 2 /4 = 3.14 • 15 2 / 4 = 177 мм 2

ω2 = π • D 2 /4 = 3.14 • 25 2 / 4 = 491 мм 2

h=ζ•(V 2 )/2•9,81=(0,41•0,19 2 )/( 2•9,81)= 0,00075 м.

Находим сопротивление на выходе из радиатора.

Выход из радиатора – это ни что иное как сужение трубопровода, поэтому коэффициент местного сопротивления будем находить для трубы идущий на резкое сужение.

Площади уже известны

ω2 = π • D 2 /4 = 3.14 • 15 2 / 4 = 177 мм 2

ω1 = π • D 2 /4 = 3.14 • 25 2 / 4 = 491 мм 2

h=ζ•(V 2 )/2•9,81=(0,32•0,19 2 )/( 2•9,81)= 0,00059 м.

Далее все потери складываются, если эти потери идут последовательно друг для друга.

Чтобы в ручную не считать всю математику я приготовил специальную программу:

Особенности гидравлического расчета системы радиаторного отопления

Комфорт в загородном доме во многом зависит от надёжной работы системы отопления. Теплоотдача при радиаторном отоплении, системе «тёплый пол» и «тёплый плинтус» обеспечивается за счёт движения по трубам теплоносителя. Поэтому правильному подбору циркуляционных насосов, запорно-регулирующей арматуры, фитингов и определению оптимального диаметра трубопроводов предшествует гидравлический расчёт системы отопления.

Данный расчёт требует профессиональных знаний, поэтому мы в данной части учебного курса «Системы отопления: выбор, монтаж», с помощью специалиста компании REHAU, расскажем:

  • О каких нюансах следует знать перед выполнением гидравлического расчёта.
  • Чем отличаются системы отопления с тупиковым и попутным движением теплоносителя.
  • В чём состоят цели гидравлического расчёта.
  • Как материал труб и способ их соединения оказывает влияние на гидравлический расчёт.
  • Каким образом специальное программное обеспечивание позволяет ускорить и упростить процесс гидравлического расчета.

Нюансы, о которых надо знать перед выполнением гидравлического расчёта

В современной системе отопления протекают сложные гидравлические процессы с динамически меняющимися характеристиками. Поэтому на гидравлический расчёт оказывает влияние множество нюансов: начиная от типа системы отопления, вида отопительных приборов и способа их присоединения, режима регулирования и заканчивая материалом комплектующих.

Важно: Трубопроводная отопительная система загородного дома — это сложная разветвлённая сеть. Гидравлический расчет определяет её правильную работу так, чтобы ко всем отопительным приборам поступало необходимое количество теплоносителя. Правильно рассчитать и спроектировать систему отопления может только квалифицированный специалист, имеющий профильное образование по данной дисциплине.

Системы радиаторной и водопроводной разводок — это разветвленные трубопроводные сети. В трубопроводах давление теряется на трение о стенки труб и на местные сопротивления в фасонных частях при разделении или слиянии потоков, на внезапные расширения или сужения «живого» сечения. Для того чтобы теплоноситель или вода поступали к отопительным приборам или точкам водоразбора в необходимом количестве, трубопроводная сеть должна быть правильно рассчитана.

Вне зависимости от того, какая система отопления смонтирована в доме, например, радиаторная разводка или тёплый пол, принцип гидравлического расчёта одинаков для всех, но каждая система требует индивидуального подхода.

Читайте также:  Жидкость для котлов отопления незамерзающая

Например, система отопления может быть заправлена водой, этилен- или пропиленгликолем, а это повлияет на гидравлические параметры системы.

У этиленгликоля или пропиленгликоля большая вязкость и меньшая текучесть, чем у воды, а значит, и сопротивление при движении по трубопроводу будет больше. Кроме этого, теплоёмкость этиленгликоля меньше, чем у воды, и составляет 3,45 кДж/(кг▪К), а у воды 4.19 кДж/(кг*К). В связи с этим расход, при том же перепаде температур, должен быть на 20 с лишним процентов выше.

Важно: вид теплоносителя, который будет циркулировать в системе отопления, определяется заранее. Соответственно: проектировщик при гидравлическом расчёте системы отопления должен учесть его характеристики.

Выбор одно- или двухтрубной системы отопления также влияет на методику гидравлического расчёта.

Это связано с тем, что в однотрубной системе вода последовательно проходит через все радиаторы, и расход через все приборы в расчетных условиях будет единым при различных небольших перепадах температур на каждом приборе. В двухтрубной системе вода через отдельные кольца поступает независимо в каждый радиатор. Поэтому в двухтрубной системе перепад температур на всех приборах будет одинаковым и большим, порядка 20 К, а вот расходы через каждый прибор будут существенно различаться.

При гидравлическом расчете выбирается самое нагруженное кольцо. Оно является расчётным. Все остальные кольца увязываются с ним так, чтобы потери в параллельных кольцах были одинаковыми, с соответствующими им участками главного кольца.

При выполнении гидравлического расчета обычно вводятся следующие допущения:

  1. Скорость воды в подводках не более 0,5 м/с, в магистралях в коридорах 0,6-0,8 м/с, в магистралях в подвалах 1,0-1,5 м/с.
  2. Удельные потери давления на трение в трубопроводах – не более 140 Па/м.

Системы отопления с тупиковым и попутным движением теплоносителя

Отметим, что в системах радиаторной разводки, при едином принципе гидравлического расчёта, существуют разные подходы, т.к. системы подразделяются на тупиковые и попутные.

При тупиковой схеме теплоноситель движется по трубам «подачи» и «обратки» в противоположные стороны. И, соответственно, в попутной схеме теплоноситель движется по трубам в одном направлении.

В тупиковых системах расчет ведётся через дальние — наиболее нагруженные участки. Для этого выбирается главное циркуляционное кольцо. Это самое неблагоприятное направление для воды, по которому прежде всего подбираются диаметры отопительных труб. Все остальные второстепенные кольца, которые возникают в этой системе, должны увязываться с главным. В попутной системе расчёт ведётся через средний, наиболее нагруженный, стояк.

В системах водопровода соблюдается аналогичный принцип. Система рассчитывается через самый удалённый и самый нагруженный стояк. Но есть особенность – в расчёте расходов.

Важно: если в радиаторной разводке расход зависит от количества тепла и перепадов температур, то в водопроводе расход зависит от норм водопотребления, а также от типа установленной водоразборной арматуры.

Цели гидравлического расчета

Цели гидравлического расчета заключаются в следующем:

  1. Подобрать оптимальные диаметры трубопроводов.
  2. Увязать давления в отдельных ветвях сети.
  3. Выбрать циркуляционный насос для системы отопления.

Раскроем подробнее каждый из этих пунктов.

1. Подбор диаметров трубопроводов

Чем меньше диаметр трубопровода, тем больше сопротивление оказывается потоку теплоносителя из-за трения о стенки трубопровода и местных сопротивлений на поворотах и ответвлениях. Поэтому для малых расходов, как правило, берутся малые диаметры трубопроводов, для больших расходов, соответственно, большие диаметры, за счёт чего можно ограниченно отрегулировать систему.

Если система разветвлённая – есть короткая и длинная ветка, то на длинной ветке идёт большой расход, а на короткой – меньший. В этом случае короткая ветка должна выполняться из труб меньших диаметров, а длинная ветка должна выполняться из труб большего диаметра.

И, по мере уменьшения расхода, от начала к концу ветки диаметры труб должны уменьшаться так, чтобы скорость теплоносителя была примерно одинакова.

2. Увязка давлений в отдельных ветвях сети

Увязка может производиться подбором соответствующих диаметров труб или, если возможности этого способа исчерпаны, то за счёт установки регуляторов расхода давления или регулировочных вентилей на отдельных ветвях.

Частично мы, как это описано выше, можем увязать давление с помощью подбора диаметров трубопроводов. Но не всегда это удаётся сделать. Например, если берём самый маленький диаметр трубопровода на короткой ветке, а сопротивление в нём все равно недостаточно большое, тогда весь поток воды будет идти через короткую ветку, не заходя в длинную. В этом случае требуется дополнительная регулировочная арматура.

Регулировочная арматура может быть разной.

Бюджетный вариант — ставим регулировочный вентиль — т.е. вентиль с плавной регулировкой, который имеет градацию в настройке. Каждый вентиль имеет свою характеристику. При гидравлическом расчёте проектировщик смотрит, какое давление необходимо погасить, и определяется так называемая невязка давлений между длинной и короткой ветками. Тогда по характеристике вентиля проектировщик определяет, на сколько оборотов этот вентиль, от полностью закрытого положения, надо будет открыть. Например, на 1, на 1.5 или на 2 оборота. В зависимости от степени открытия вентиля будет добавляться разное сопротивление.

Более дорогой и сложный вариант регулировочной арматуры — т.н. регуляторы давления и регуляторы расхода. Это устройства, на которых мы задаём необходимый расход или необходимый перепад давлений, т.е. падение давлений на этой ветке. В этом случае устройства сами контролируют работу системы и, если расход не соответствует требуемому уровню, то они открывают сечение, и расход увеличивается. Если расход слишком большой, то сечение перекрывается. Аналогично происходит и с давлением.

Если все потребители после ночного понижения теплоотдачи одновременно открыли утром свои отопительные приборы, то теплоноситель попытается, в первую очередь, поступать в ближние к тепловому пункту приборы, а до дальних дойдет спустя часы. Тогда сработает регулятор давления, прикрывая ближайшие ветки и, тем самым, обеспечит равномерное поступление теплоносителя во все ветки.

3. Подбор циркуляционного насоса по давлению (напору) и по расходу (подаче)

Расчетные потери давления в главном циркуляционном кольце (с небольшим запасом) определят напор для циркуляционного насоса. А расчетный расход насоса – это суммарный расход теплоносителя по всем ветвям системы. Насос подбирается по напору и по расходу.

Если в системе стоит несколько циркуляционных насосов, то в случае их последовательного монтажа у них суммируется напор, а расход будет общим. Если насосы работают параллельно, то у них суммируется расход, а напор будет одинаковым.

Важно: Определив в ходе гидравлического расчёта потери давления в системе, можно выбрать циркуляционный насос, который оптимально будет соответствовать параметрам системы, обеспечивая оптимум затрат – капитальных (стоимость насоса) и эксплуатационных (стоимость электроэнергии на циркуляцию).

Как выбор комплектующих для системы отопления влияет на гидравлический расчёт

Материал, из которого изготовлены трубы системы отопления, фитинги, а также техника их соединения, оказывает существенное влияние на гидравлический расчет.

Трубы, имеющие гладкую внутреннюю поверхность, уменьшают потери на трение при движении теплоносителя. Это даёт нам преимущества – берём трубопроводы меньшего диаметра и экономим на материале. Также уменьшаются затраты электроэнергии, необходимые для работы циркуляционного насоса. Можно взять насос меньшей мощности, т.к. за счёт меньшего сопротивления в трубопроводах требуется меньший напор.

В местах соединений «фитинг-труба», в зависимости от способа их монтажа, могут быть большие потери, или, наоборот, потери на сопротивление потоку при движении теплоносителя сведены к минимуму.

Например, если используется техника соединения методом «надвижной гильзы», т.е. развальцовывается конец трубопровода, и внутрь вставляется фитинг, то за счёт этого не происходит заужения живого сечения. Соответственно: уменьшается местное сопротивление, и уменьшаются энергетические затраты на циркуляцию воды.

Подведение итогов

Выше уже говорилось, что гидравлический расчёт системы отопления — это сложная задача, требующая профессиональных знаний. Если предстоит спроектировать сильно разветвлённую систему отопления (большой дом), то расчёт вручную отнимает много сил и времени. Для упрощения данной задачи разработаны специальные компьютерные программы.

С помощью этих программ можно сделать гидравлический расчёт, определить регулировочные характеристики запорно-регулировочной арматуры и автоматически составить заказную спецификацию. В зависимости от типа программ, расчёт осуществляется в среде AutoCAD или в собственном графическом редакторе.

Добавим, что сейчас при проектировании промышленных и гражданских объектов наметилась тенденция к использованию BIM технологий (building information modeling). В этом случае все проектировщики работают в едином информационном пространстве. Для этого создаётся «облачная» модель здания. Благодаря этому любые нестыковки выявляются ещё на стадии проектировании, и своевременно вносятся необходимые изменения в проект. Это позволяет точно спланировать все строительные работы, избежать затягивания сроков сдачи объекта и тем самым сократить смету.

Способы гидравлического расчета систем отопления

Большинство современных промышленных и жилых объектов обогревается в зимнее время за счет подключения к уже подведенному к ним централизованному теплоснабжению. Но нередки случаи, когда для обогрева жилых пространств применяются независимые (автономные) источники. При их самостоятельном монтаже не обойтись без предварительного гидравлического расчета отопления, проводимого для всего комплекса в целом.

Расчёт гидравлики отопительных каналов

Гидравлический расчет системы отопления обычно сводится к подбору диаметров труб, проложенных на отдельных участках сети. При его проведении обязательно учитываются следующие факторы:

  • величина давления и его перепады в трубопроводе при заданной скорости циркуляции теплоносителя;
  • его предполагаемый расход;
  • типовые размеры используемых трубных изделий.

При расчете первого из этих параметров важно принять во внимание мощность насосного оборудования. Ее должно хватать для преодоления гидравлического сопротивления отопительных контуров. При этом решающее значение имеет суммарная длина полипропиленовых труб, с увеличением которой растет общее гидравлическое сопротивление систем в целом. По результатам проведенного расчета определяются показатели, необходимые для последующего монтажа отопительной системы и соответствующие требованиям действующих нормативов.

Расчёт параметров теплоносителя

Расчет теплоносителя сводится к определению следующих показателей:

  • скорость движения водных масс по трубопроводу с заданными параметрам;
  • их средняя температура;
  • расход носителя, связанный с требованиями к производительности отопительного оборудования.

При определении всех перечисленных параметров, касающихся непосредственно теплоносителя, обязательно учитывается гидравлическое сопротивление трубы. Принимается во внимание и наличие элементов запорной арматуры, являющихся серьезным препятствием свободному перемещению носителя. Особенно важен этот момент для систем отопления, в состав которых входят термостатические и теплообменные приборы.

Известные формулы расчета параметров теплоносителя (с учетом гидравлики) достаточно сложны и неудобны в практическом применении. В онлайн калькуляторах используется упрощенный подход, позволяющий получить результат с допустимой для этого способа погрешностью. Тем не менее перед началом монтажа важно побеспокоиться о том, чтобы приобрести насос с показателями не ниже расчетных. Лишь в этом случае появляется уверенность в том, что требования к системе по этому критерию выполнены в полной мере и что она способна обогреть помещение до комфортных температур.

Читайте также:  Нагревательный котел для отопления электрический

Расчёт сопротивления системы и подбор циркуляционного насоса

При расчете гидравлического сопротивления системы отопления исключается вариант естественной циркуляции теплоносителя по ее контурам. Рассматривается лишь случай принудительной прогонки по тепловым контурам разветвленной сети отопительных труб. Чтобы система работала с заданной эффективностью, потребуется образец насоса, заведомо гарантирующий нужный напор. Эта величина обычно представляется как объем прокачки теплоносителя в выбранную единицу времени.

Для определения суммарной величины сопротивления, вызванного сцеплением частиц воды с внутренними поверхностями труб в магистралях, применяется следующая формула: R = 510 4 V 1.9 / d 1,32 (Па/м). Значок V в этом соотношении соответствует скорости движения потока. При проведении самостоятельных вычислений всегда предполагается, что эта формула действительна лишь для скоростей не более 1,25 метра/сек. Если пользователю известна величина текущего расхода ГСВ, допускается воспользоваться приблизительной оценкой, позволяющей определить внутреннее сечение труб из полипропилена.

По завершении основных вычислений следует обратиться к особой таблице, в которой указываются примерные сечения трубных проходов в зависимости от полученных при расчете цифр. Наиболее сложным и затратным по времени является процедура определения гидравлического сопротивления в следующих участках действующего трубопровода:

  • в зонах сопряжения его отдельных элементов;
  • в обслуживающих отопительную систему клапанах;
  • в задвижках и контрольных приборах.

После того как все искомые параметры, касающиеся рабочих характеристик теплоносителя, найдены, переходят к определению всех остальных показателей системы.

Расчёт объема воды и вместительность расширительного бака

Для расчета рабочих характеристик расширительного бачка, обязательного для любой системы отопления закрытого типа, потребуется разобраться с явлением увеличения объема жидкости в ней. Этот показатель оценивается с учетом изменения основных рабочих характеристик, включая колебания ее температуры. Она в этом случае изменяется в очень широком диапазоне – от комнатных +20 градусов и вплоть до рабочих значений в пределах 50-80 градусов.

Вычислить объем расширительного бака удастся без лишних проблем, если воспользоваться проверенной на практике приблизительной оценкой. Она основана на опыте эксплуатации оборудования, согласно которому объем расширительного бачка составляет примерно одну десятую часть от общего количества теплоносителя, циркулирующего в системе. При этом во внимание принимаются все ее элементы, включая отопительные радиаторы (батареи), а также водяную рубашку котельного агрегата. Для определения точного значения искомого показателя потребуется взять паспорт эксплуатируемого оборудования и найти в нем пункты, касающиеся емкости батарей и рабочего бака котла.

После их определения излишки теплоносителя в системе найти совсем несложно. Для этого сначала вычисляется площадь поперечного сечения полипропиленовых труб, а затем полученное значение умножается на длину трубопровода. После суммирования по всем веткам отопительной системы к ним добавляются взятые из паспорта цифры для радиаторов и котла. От итоговой суммы затем отсчитывается одна десятая часть.

Если, к примеру, полученная вместимость для бытовой системы составила около 150 литров, оценочная емкость расширительного бака будет равна примерно 15 литрам.

Определение потерь давления в трубах

Сопротивление потерь давления в контуре, по которому циркулирует теплоноситель, определяется как их суммарное значение для всех отдельных составляющих. К последним относят:

  • потери в первичном контуре, обозначаемые как ∆Plk;
  • местные издержки теплоносителя (∆Plм);
  • падение давления в особых зонах, называемых “генераторами тепла” под обозначением ∆Pтг;
  • потери внутри встроенной теплообменной системы ∆Pто.

После суммирования этих величин получается искомый показатель, характеризующий полное гидравлическое сопротивление системы ∆Pсо.

Помимо этого обобщенного метода существуют другие способы, позволяющие определить потери напора в трубах из полипропилена. Один из них основан на сравнении двух показателей, привязанных к началу и концу трубопровода. В этом случае вычислить потерю давления можно простым вычитанием начального и конечного его значений, определяемых по двум манометрам.

Еще один вариант вычисления искомого показателя основан на применении более сложной формулы, учитывающей все факторы, которые влияют на характеристики теплового потока. Приводимое ниже соотношение в первую очередь учитывает потерю напора жидкости из-за большой длины трубопровода.

  • h – потери напора жидкости, в исследуемом случае измеряемые в метрах.
  • λ – коэффициент гидравлического сопротивления (или трения), определяемый по другим расчетным методикам.
  • L – общая длина обслуживаемого трубопровода, которая измеряется в погонных метрах.
  • D –внутренний типоразмер трубы, определяющий объем потока теплоносителя.
  • V – скорость тока жидкости, измеряемая в стандартных единицах (метр за секунду).
  • Символ g – это ускорение свободного падения, равное 9,81 м/сек2.

Большой интерес представляют потери, вызванные высоким коэффициентом гидравлического трения. Он зависит от шероховатости внутренних поверхностей труб. Используемые в этом случае соотношения справедливы лишь для трубных заготовок стандартной круглой формы. Окончательная формула для их нахождения выглядит так:

  • V – скорость перемещения водных масс, измеряемая в метрах/секунду.
  • D – внутренний диаметр, определяющий свободное пространство для перемещения теплоносителя.
  • Стоящий в знаменателе коэффициент указывает на кинематическую вязкость жидкости.

Последний показатель относится к постоянным величинам и находится по специальным таблицам, в больших количествах опубликованным в Интернете.

При ускорении потока теплоносителя сопротивление его движению также возрастает. Одновременно с этим увеличиваются и потери в теплосети, рост которых не пропорционален вызвавшему этот эффект импульсу (он изменяется по квадратичному закону). Отсюда следует вывод: высокая скорость потока жидкости в трубопроводе не выгодна как с технической, так и с экономической точки зрения.

Выполнение гидравлического расчета системы отопления

В многоквартирных домах большей части областей Российского государства, как правило, используется центральное теплоснабжение, однако с недавних пор стали набирать популярность системы автономного отопления. Как для первого, так и для второго случая требуется проведение гидравлического расчета системы отопления.

Практической целью расчета гидравлики системы отопления является обеспечение совпадения расхода в элементах схемы с расходом фактическим. Объем теплоносителя, попадающего в отопительные приборы, должен сформировать определенный температурный режим внутри частного дома, учитывая наружные температуры и заданные заказчиком для каждой комнаты, согласно ее функциональному назначению.

Для корректного проведения гидравлического расчета отопления потребуется изучить основную терминологию, чтобы лучше понять происходящие процессы в пределах системы. К примеру, увеличение скорости нагретой рабочей жидкости может спровоцировать параллельное увеличение гидросопротивления в магистралях трубопровода. Измеряется сопротивление системы отопления в метрах водного столба.

Большинство классических схем теплоснабжения состоит из следующих обязательных элементов:

  1. 1. теплогенератора;
  2. 2. магистрального трубопровода;
  3. 3. отопительных элементов (регистров или радиаторов);
  4. 4. гидравлической арматуры (запорной и регулировочной).

С помощью регулировочной арматуры проводится увязка отопительной системы. Каждому элементу присуща своя индивидуальная техническая характеристика, которая используется для гидравлического расчета системы отопления. Онлайн-калькулятор или таблица excel с формулами и алгоритмами вычислений смогут в значительной степени упростить эту задачу. Эти программы предоставляются абсолютно бесплатно и никак не повлияют на бюджет проекта.

Чтобы рассчитать гидравлику отопительной системы, понадобится информация по тепловому расчету и аксонометрической схеме. Для подбора сечения труб используются целесообразные, с экономической точки зрения, итоговые данные теплорасчета:

  1. 1.

    Система обогрева состоит из четырех главных элементов:

    1. Регулирующая (термоклапаны, термовентили) и запорная арматура (шаровые краны, вентиля).
    2. Трубопровод.
    3. Батареи водяного отопления.
    4. Источник тепловой энергии (котельное оборудование).

    Для этих элементов характерно наличие индивидуальных параметров, требующих учета при организации отопления. Обычно фирмами-изготовителями на выпускаемом оборудовании указывается информация о характеристиках: это касается как обычных отопительных радиаторов, так и любых расходных материалов. Для упрощения расчета были разработаны специальные таблицы и диаграммы. К примеру, для облегчения подбора полипропиленовых труб они сопровождаются документацией со специальными номограммами для гидравлических расчетов.

    Расход теплоносителя

    Без труда можно заметить, что расход и количество нагретой воды в котле непосредственно связаны между собой. На объемы подготовленного теплоносителя напрямую влияет тепловая нагрузка на котел. Она же, в свою очередь, зависит от того, сколько тепла утекает из помещения на улицу. Его необходимо компенсировать обогревом. Расчет гидравлики позволяет понять, сколько теплоносителя расходуется на отдельных пролетах контура. Каждый из них обладает постоянным сечением и расходом.

    Наглядный пример

    Для проведения вычислений можно взять контур, состоящий из двух колец отопления (первое немного длиннее второго). Каждое из них лучше разбить на отрезки, пронумеровав от точки с наибольшим расходом. Продолжительность первого участка от котла определяется до момента перемены расхода теплоносителя. Обычно такой точкой выступает ближайший стояк или радиатор. Гидравлический расчет отопления проводится одновременно для подающей и обратной трубы, во избежание перебоев с циркуляцией.

    Читайте также:  Геотермальное отопление принцип работы

    Для расчета расхода теплоносителя используется формула: G = Q / (c * (t2 – t1)). Здесь G ― расход воды в системе (кг/сек); Q ― тепло (Вт), необходимое для восполнения теплопотерь; t2 ― температура, до которой необходимо довести теплоноситель; t1 ― температура остывшей воды; С ― удельная теплоемкость воды (постоянная величина, равная 4,2 кДж/(кг•°С).

    Обладая информацией о расходах, при помощи специальных справочников несложно определить сечение отопительных труб. В тех же источниках, наряду с диаметром, содержаться указания на скорость потока и потери давления. Также важно понимать, что по мере движения по стоякам сечение труб постепенно уменьшается. К примеру, диаметр магистральной трубы может быть 32 мм. На следующем участке переходят на 24 мм, а еще дальше – 16 мм. Резких перепадов сечения лучше не допускать.

    Скорость потока и расчет сопротивления

    Нежелательно, чтобы теплоноситель двигался по трубам медленнее, чем 0,2 – 0,3 м/с. Это грозит образованием воздушных пробок, за счет выделения газа из воды. Как результат, эффективность системы, как минимум, снизится. Что касается верхнего порога скорости, то он рекомендован на уровне 0,7 – 1,5 м/с.

    При его превышении теплоноситель будет сильно шуметь. Рекомендованный показатель, на который необходимо ориентироваться при расчете скорости теплоносителя ― 0,5 – 0,7 м/с.

    Потери напора

    Потери напора характерны для всех участков и первого, и второго кольца контура. Под этим понятием подразумеваются суммарные потери на трение внутри труб, арматуры и батарей.

    Для определения сопротивления системы отопления потребуется знание следующих величин:

    • ν – скорость.
    • ρ – плотность.
    • R –потери напора в трубопроводе.
    • l –длина данного участка трубопровода.
    • Σζ – суммарное сопротивление.

    Специфика выбора основной ветви в двухтрубной системе

    Исходя из практического опыта проведенных вычислений, при наличии попутного движения теплоносителя в двухтрубной схеме лучше выбрать более нагруженный стояк через нижнюю батарею. В однотрубном контуре речь о кольце через самый загруженный стояк. Если горячая вода имеет тупиковое движение, в двухтрубной системе выбирают кольцо нижнего радиатора наиболее загруженного удаленного стояка.

    Однотрубная схема предполагает идентичный подход. В горизонтальном контуре предпочитают кольцо самого загруженного направления нижнего этажа. Подобные работы по гидравлическому расчету двухтрубной системы отопления должны проводиться максимально внимательно, т.к. малейшая погрешность может вылиться в крупные неприятности.

    Итоги

    Гидравлическое сопротивление системы отопления является очень важной величиной, без которой невозможно организовать эффективный обогрев жилища. Настоятельно рекомендуется провести все требуемые расчеты максимально точно. Если нет уверенности в собственных силах, лучше не рисковать, и пригласить для этого квалифицированного специалиста. В тех же случаях, когда было принято решение реализовать это вычисление самостоятельно, важно не спешить, все делая с учетом рассмотренных примеров.


    Гидравлический расчет системы отопления: главные цели и задачи выполнения данного действия

    Эффективность отопительной системы вовсе не гарантируют качественные трубы и высокопроизводительный теплогенератор.

    Наличие ошибок, допущенных при монтаже, может свести на нет работу котла, работающего на полную мощность: либо в помещениях будет холодно, либо затраты на энергоносители будут неоправданно высокими.

    Поэтому важно начинать с разработки проекта, одним из важнейших разделов которого является гидравлический расчет системы отопления.

    Расчет гидравлики водяной системы отопления

    Теплоноситель циркулирует по системе под давлением, которое не является постоянной величиной. Оно снижается из-за наличия сил трения воды о стенки труб, сопротивления на трубной арматуре и фитингах. Домовладелец также вносит свою лепту, корректируя распределение тепла по отдельным помещениям.

    Давление растет, если температура нагрева теплоносителя повышается и наоборот – падает при ее снижении.

    Чтобы избежать разбалансировки отопительной системы, необходимо создать условия, при которых к каждому радиатору поступает столько теплоносителя, сколько необходимо для поддержания заданной температуры и восполнения неизбежных теплопотерь.

    Главной целью гидравлического расчета является приведение в соответствие расчетных расходов по сети с фактическими или эксплуатационными.

    На данном этапе проектирования определяются:

    • диаметр труб и их пропускная способность;
    • местные потери давления по отдельным участкам системы отопления;
    • требования гидравлической увязки;
    • потери давления по всей системе (общие);
    • оптимальный расход теплоносителя.

    Для производства гидравлического расчета необходимо проделать некую подготовку:

    1. Собрать исходные данные и систематизировать их.
    2. Выбрать методику расчета.

    Первым делом проектировщик изучает теплотехнические параметры объекта и выполняет теплотехнический расчет. В итоге у него появляется информация о количестве тепла, необходимом для каждого помещения. После этого выбираются отопительные приборы и источник тепла.

    Схематичное изображение отопительной системы в частном доме

    На стадии разработки принимается решение о типе отопительной системы и особенностях ее балансировки, подбираются трубы и арматура. По окончании составляется аксонометрическая схема разводки, разрабатываются планы помещений с указанием:

    • мощности радиаторов;
    • расхода теплоносителя;
    • расстановки теплового оборудования и пр.

    Расчет диаметра труб

    Расчет сечения труб должен опираться на результаты теплового расчета, обоснованные экономически:

    • для двухтрубной системы – разность между tr (горячим теплоносителем) и to (охлажденным – обраткой);
    • для однотрубной – расход теплоносителя G, кг/ч.

    Кроме того, в расчете должна учитываться скорость движения рабочей жидкости (теплоносителя) – V . Ее оптимальная величина находится в диапазоне 0,3-0,7 м/с. Скорость обратно пропорциональна внутреннему диаметру трубы.

    При скорости движения воды, равной 0,6 м/с в системе появляется характерный шум, если же она менее 0,2 м/с, появляется риск возникновения воздушных пробок.

    Для расчетов потребуется еще одна скоростная характеристика – скорость теплопотока. Она обозначается буквой Q, измеряется в ваттах и выражается в количестве тепла, переданного в единицу времени

    Q (Вт) = W (Дж)/t (с)

    Кроме вышеперечисленных исходных данных для расчета потребуются параметры отопительной системы – длина каждого участка с указанием приборов, подключенных к нему. Эти данные для удобства можно свести в таблицу, пример которой приведен ниже.

    Таблица параметров участков

    Обозначение участкаДлина участка в метрахКоличество приборов а участке, шт.
    1-21,81
    2-33,01
    3-42,82
    4-52,92

    Расчет диаметров труб достаточно сложный, поэтому проще воспользоваться справочными таблицами. Их можно найти на сайтах производителей труб, в СНиП или специальной литературе.

    Монтажники при подборе диаметра труб пользуются правилом, выведенным на основании анализа большого числа отопительных систем. Правда, это касается только небольших частных домов и квартир. Практически все отопительные котлы оборудованы патрубками подачи и обратки ¾ и ½ дюйма. Такой трубой и выполняется разводка до первого разветвления. Далее на каждом участке размер трубы уменьшают на один шаг.

    Вычисление местных сопротивлений

    Местные сопротивления возникают в трубе и арматуре. На величину данных показателей влияют:

    • шероховатость внутренней поверхности трубы;
    • наличие мест расширения или сужения внутреннего диаметра трубопровода;
    • повороты;
    • протяженность;
    • наличие тройников, шаровых кранов, приборов балансировки и их количество.

    Сопротивление рассчитывается для каждого участка, который характеризуется постоянным диаметром и неизменным расходом теплоносителя (в соответствии с тепловым балансом помещения).

    Исходные данные для расчета:

    • длина расчетного участка – l, м;
    • диаметр трубы – d, мм;
    • заданная скорость теплоносителя – u, мм;
    • характеристики регулирующей арматуры, предоставляемые производителем;
    • коэффициент трения (зависит от материала трубы), λ;
    • потери на трение – ∆Pl, Па;
    • плотность теплоносителя (расчетная) – ρ = 971,8 кг/м 3 ;
    • толщина стенки трубы – dн х δ, мм;
    • эквивалентная шероховатость трубы – kэ, мм.

    Гидравлическое сопротивление – ∆P на участке сети рассчитывается по формуле Дарси-Вейсбаха.

    Символ ξ в формуле означает коэффициент местного сопротивления.

    Если в доме стоит печка, отопить она сможет лишь небольшое помещение. Установка батарей отопления в частном доме большой площади обязательна, так как в противном случае отдаленные от печи комнаты отапливаться не будут.

    Основные характеристики газового котла Buderus представлены в этом обзоре.

    О том, как запустить газовый котел, расскажем в этой статье.

    Гидравлическая увязка

    Балансировка перепадов давления в отопительной системе выполняется посредством регулирующей и запорной арматуры.

    Гидравлическая увязка системы производится на основании:

    • проектной нагрузки (массового расхода теплоносителя);
    • данных производителей труб по динамическому сопротивлению;
    • количества местных сопротивлений на рассматриваемом участке;
    • технических характеристик арматуры.

    Установочные характеристики – перепад давления, крепление, пропускная способность – задаются для каждого клапана. По ним определяют коэффициенты затекания теплоносителя в каждый стояк, а затем – в каждый прибор.

    Потери давления прямо пропорциональны квадрату расхода теплоносителя и измеряются в кг/ч, где

    S – произведение динамического удельного давления, выраженного в Па/(кг/ч), и приведенного коэффициента для местных сопротивлений участка (ξпр).

    Приведенный коэффициент ξпр является суммой всех местных сопротивлений системы.

    Определение потерь

    Гидравлическое сопротивление главного циркуляционного кольца представляет собой сумму потерь его составляющих элементов:

    • первичного контура – ∆Plk;
    • местных систем – ∆Plм;
    • генератора тепла – ∆Pтг;
    • теплообменника ∆Pто.

    Гидравлический расчет системы отопления – пример расчета

    В качестве примера рассмотрим двухтрубную гравитационную систему отопления.

    Исходные данные для расчета:

    • расчетная тепловая нагрузка системы – Qзд. = 133 кВт;
    • параметры системы – tг = 75 0 С, tо = 60 0 С;
    • расход теплоносителя (расчетный) – Vсо = 7,6 м 3 /ч;
    • присоединение отопительной системы к котлам производится через гидравлический разделитель горизонтального типа;
    • автоматика каждого из котлов в течение всего года поддерживает постоянную температуру теплоносителя на выходе – tг = 80 0 С;
    • автоматический регулятор перепада давления устанавливается на вводе каждого распределителя;
    • система отопления от распределителей смонтирована из металлопластиковых труб, а теплоснабжение распределителей производится посредством стальных труб (водогазопроводных).

    Диаметры участков трубопроводов подобраны с использованием номограммы для заданной скорости теплоносителя 0,4-0,5 м/с.

    На участке 1 установлен клапан dу 65. Его сопротивление согласно информации производителя составляет 800 Па.

    На участке 1а установлен фильтр диаметром 65 мм и с пропускной способностью 55 м3/ч. Сопротивление этого элемента составит:

    0,1 х (G/kv) х 2 = 0,1 х (7581/55) х 2 = 1900 Па.

    Варианты двухтрубной отопительной системы

    Сопротивление трехходового клапана dу = 40 мм и kv = 25 м3/ч составит 9200 Па.

    Суммарные потери давления в системе снабжения теплом распределителей будут равняться 21514 Па или приблизительно 21,5 кПа.

    Самодельная печь хорошо подойдет для обогрева дачного домика или подсобного помещения. Печка из газового баллона своими руками – смотрите инструкцию по изготовлению.

    Как собрать пресс для топливных брикетов своими руками, вы узнаете в этой статье.

    Аналогичным образом производится расчет остальных частей системы теплоснабжения распределителей. При расчете системы отопления от распределителя выбирается основное циркуляционное кольцо через наиболее нагруженное отопительное устройство. Гидравлический расчет производится с использованием 1-го направления.

    Видео на тему

Ссылка на основную публикацию