Немного о гидравлике

Ниже – краткий конспект для наших клиентов, которые любят задавать вопросы.

Теория, которую можно пропустить

Основными задачами гидравлического расчёта является:

Подбор диаметров трубопроводов на всех участках системы отопления
Подбор запорно-регулировочной арматуры
Подбор циркуляционного насоса

Порядок выполнения гидравлического расчёта:

1. Определить отопительные приборы, их местоположение и тепловую мощность. Тепловая мощность при выбранном температурном графике определяет требуемый расход теплоносителя:

G=Q/(1,163*∆t)

Где:

G – массовый расход теплоносителя, м3/ч (принимаем плотность воды 1000 кг/м3 независимо от температуры)

Q – Передаваемая тепловая мощность через участок трубопровода, КВт

1,163 – размерный переводной коэффициент, учитывающий теплоемкость воды (Вт*ч)/(кг*К)

∆t– Разница температур между подающим и обратным трубопроводом, °С

Перепад температур ∆t в подающем и обратном трубопроводе принимают 5-7°С для внутрипольного отопления и 10-20°С для радиаторного отопления. Может быть и больше – например для расчета подключения к смесительным узлам (75-35)°С

(Формула выше — такая же фундаментальная для тепломехаников, как закон Ома для электриков — решает почти все вопросы на бытовом уровне)

2. Определить трассировку трубопроводов с целью подключения всех отопительных приборов к источнику теплоснабжения.

3. Определить главную магистраль – циркуляционное кольцо от насоса к наиболее удаленному потребителю и обратно. При разветвлении сети на несколько равноудаленных потребителей в качестве главной магистрали выбирают участок с наибольшим расходом теплоносителя (наиболее мощный).

Далее работаем с главной магистралью. Собственно нам нужно по расходу теплоносителя определить диаметры трубопроводов на каждом участке главной магистрали (при присоединения ответвлений расходы складываются), и для подбора насоса определить сопротивление главной магистрали и общий требуемый расход теплоносителя через насос.

Для понимания что такое расход теплоносителя. Движение воды в системе отопления с некоторой скоростью (м/с) осуществляется за счет перепада давления, создаваемого насосом(Па). Скорость движения (м/с) и внутренний диаметр трубопровода , мм определяют массовый расход теплоносителя G кг/с:

G = ρ * υ * S = ρ * υ * (π * dвн)² /4

Расход теплоносителя — это основной параметр для подбора типоразмеров труб и арматуры. Почему: при движении теплоносителя с плотностью ρ (кг/м3) по трубе со скоростью ν (м/с) с внутренним диаметром dвн (мм) возникают потери давления, которые складываются из суммы линейных потерь давления (на трение) распределенных вдоль данного трубопровода и местных потерь давления в соединительных элементах и арматуре (вентили, клапаны, фильтры и т.п.).

Линейные потери давления определяют по формуле Дарси-Вейсбаха. На практике данные по удельным потерям давления на трение (на 1м длины трубопровода) в трубах предоставляют фирмы-производители в виде графиков и таблиц для наиболее часто применяемых температурных графиков. Определяющим параметром является массовый расход G, кг/с. Расчётом местных потерь давления на фитингах (отводы, тройники, муфты и пр.) пренебрегают, т.к. они не являются определяющими.

Местные потери давления в арматуре подсчитываются по методу эквивалентной длины. Это значит, что каждому элементу системы, в котором происходят местные потери давления, соответствует прямолинейный отрезок трубопровода такой длины, на которой произошли бы такие же потери давления.

Для упрощенного определения местных потерь давления в арматуре ввели понятие пропускная способность. Пропускная способность – это паспортная характеристика, используется для перевода местных потерь давления в эквивалентную длину. Значение K_vs в паспортных данных указывают как объемный расход воды, проходящий через клапан при перепаде давления 10⁵ Па (1 бар).

Для определения местных потерь давления на клапане применяется простая формула:

∆Pm = (G/K_vs)²

Где:

∆Pm — потери давления местные, бар

G – расчетный объемный расход теплоносителя через клапан, м³/ч

K_vs – пропускная способность клапана, м³/ч/бар^0,5-паспортное значение клапана

Сумма всех потерь давления в главной магистрали при расчетном массовом расходе G, кг/с и, собственно, сам массовый расход теплоносителя определяют рабочую точку системы, по которой подбирается циркуляционный насос по его рабочей характеристике.

Рабочей характеристикой насоса называется зависимость напора от подачи при фиксированной частоте вращения приводного вала. Рабочие характеристики приводятся в технической документации на насос.

пример – рабочая точка на графике насоса

Рабочей точкой насоса называется пересечение характеристики системы (требуемого расхода теплоносителя и сопротивления трубопровода при этом расходе) и характеристики насоса (создаваемого напора в зависимости от текущего расхода теплоносителя).

Конец теории

О классификации систем отопления по способу разводки трубопроводов.

Системы отопления по типу разводки в интернете обычно делят на 3 вида: двухтрубную, однотрубную и коллекторно-лучевую. Добавим немного ясности в этом вопросе:

1. двухтрубная система отопления – основа основ. К одному котлу с насосом подключены параллельно N приборов отопления. Количество циркуляционных колец равно количеству приборов отопления. Циркуляционное кольцо – это путь теплоносителя от котла с насосом до отопительного прибора и обратно. Логично, что для этого всегда требуется две трубы — подача и обратка — по другому быть не может. Теплоноситель по умолчанию движется по пути наименьшего сопротивления, т.е. через ближайшие циркуляционные кольца, через ближайшие радиаторы. Если ничего с этим не делать, то дальние радиаторы останутся холодными. Чтобы обеспечить всех потребителей необходимым расходом теплоносителя все циркуляционные кольца должны быть отбалансированы – иными словами гидравлические сопротивления всех циркуляционных колец должны быть примерно равны для равномерного распределения теплоносителя от котла по всем потребителям (в соответствии с их требуемой мощностью). Балансировка производится специальной арматурой, позволяющей менять местное сопротивление в широком диапазоне.

Двухтрубные системы отопления могут иметь сколь угодно сложную древовидную структуру. На изображении ниже можно увидеть основную магистраль, к которой подключены стояки, к стоякам подключены отопительные приборы. Каждый радиатор в такой системе балансируется относительно насоса.

Изображение взято из пособия ГЕРЦ Арматурен Г.м.б.Х В. В. Покотилов — Регулирующие клапаны автоматизированных систем тепло- и холодоснабжения

Коллекторная (лучевая) – частный случай двухтрубной системы отопления. Короткая магистраль и длинные ответвления к отопительным приборам.

Система Тихельмана (петля Тихельмана) – частный случай двухтрубной системы отопления, при котором за счет особой разводки магистральных трубопроводов гидравлическое сопротивление всех циркуляционных колец по умолчанию одинаково. Балансировка каждого циркуляционного кольца требуется только для корректировки расходов в зависимости от требуемой мощности каждого отопительного прибора. Если предположить, что все отопительные приборы имеют одинаковую мощность, то балансировочная арматура на циркуляционных кольцах в такой системе не требуется. Применение петли Тихельмана далеко не всегда оправданно, это просто один из приемов создания устойчивых и лаконичных сетей отопления.

2. Однотрубная система отопления – это также частный случай двухтрубной системы отопления, в котором каждый отдельный отопительный прибор заменен группой отопительных приборов, подключенных последовательно. Число циркуляционных колец в такой системе равно числу стояков с последовательно подключенными отопительными приборами, соответственно балансировка требуется только для каждого циркуляционного кольца (для стояка, не для каждого отопительного прибора). Основные нюансы в однотрубной системе связаны с обвязкой отопительных приборов. Для возможности пустить теплоноситель в обход отопительного прибора с целью его независимого отключения используют байпас. При обустройстве байпаса появляется такое важное понятие как «коэффициент затекания»(в отопительный прибор) — от которого критически зависит мощность отопительного прибора. а также тепловая и гидравлическая устройчивость всей системы. На практике это означает, что размер отопительного прибора должен быть увеличен – для сохранения требуемой проектной мощности. Также каждый следующий отопительный прибор в одном ряду (на одном стояке) должен быть больше по размеру — учитывается остывание теплоносителя в предыдущих отопительных приборах. В общем, при экономии на количестве труб получаем дополнительные затраты на дополнительном количестве секций отопительных приборов. Однотрубная система — это также просто один из приемов создания лаконичной сети отопления, т.е. применяется по ситуации, а не «для экономии на материалах».

3. Трехтрубная система отопления — широко не применяется, т.к. мало кто о ней знает. Просто для расширения кругозора:

Программа для расчёта

При расчёте гидравлики небольшой системы своего частного дома теорию можно знать только в общих чертах и воспользоваться готовыми программами для расчёта или таблицами, не выдумывая велосипед.

Из расчётных программ большой популярностью среди конструкторов пользуется Audytor C.O. Бесплатно с официального сайта разработчика можно скачать и установить фирменные версии для различных известных производителей. Они отличаются ограниченной библиотекой оборудования. Например, если воспользоваться версией от Meibes, в программе будут доступно только оборудование Meibes – насосные группы и арматура. Оборудование, которое Meibes не производит, например трубопроводные системы или радиаторы, будет доступно в полной мере.

Рабочий процесс выглядит следующим образом:

Указать все отапливаемые помещения и их характеристики: требуемая мощность, температура воздуха.
Разместить желаемые отопительные приборы в каждом отапливаемом помещении.
Соединить отопительные приборы трубопроводами с источником тепла и насосом, в такой же последовательности, как и на плане дома. Указать длины участков трубопроводов (линейные потери давления)
Разместить всю необходимую запорно-регулирующую арматуру (местные потери давления).
программа рассчитает диаметры трубопроводов, подберет типоразмеры отопительных приборов и арматуры, укажет на допущенные ошибки.
Корректируем диаметры трубопроводов и типоразмеры арматуры до удобных в практической реализации – задаем ограничение по максимальному диаметру, уменьшаем количество «промежуточных» диаметров.

Пример: рассчитана двухтрубная система отопления частного дома. Программа предлагает использовать ряд типоразмеров труб – 35,28,22,18,15. После корректировки можно получить рабочий вариант всего с двумя диаметрами – 28 и 18.

«Быстрый» гидравлический расчёт

составить схему с расположением источника тепла, отопительных приборов и трассировкой трубопроводов
Определить расчётный расход теплоносителя для каждого потребителя
определить главную магистраль – циркуляционное кольцо от источника тепла до наиболее удаленного или нагруженного потребителя.
Определить линейное падение давления на главной магистрали при помощи таблиц, прибавить к нему наиболее значимые местные падения давления, используя формулу пересчета Kvs в сопротивление.
Подобрать насос

Пример. «Быстрый» гидравлический расчет системы внутрипольного отопления.

К источнику теплоснабжения с температурой подающей линии Т₁=80°С подключен коллектор внутрипольной системы отопления с потребителями общей мощностью Q=8000Вт, имеющий наиболее протяженный контур L_к=85 м и мощностью Q_к=1100 Вт. Требуется рассчитать рабочую точку насоса , если температурный график в системе внутрипольного отопления принят 45/40. Для понижения параметров теплоносителя T₁₁=45°С в схему включен трехходовой смесительный клапан с K_vs=3,6 м3/ч, установленный в котельной. Расстояние от источника до трехходового клапана L₁=5м, от 3-х ходового клапана до коллектора L₂=20м. Система отопления выполнена металлопластиковыми трубами.

Схема – Главное циркуляционное кольцо. Все прочие потребители считаются ответвлениями.

Расчет

подбор насоса

Другие статьи

Особенности эксплуатации твердотопливных котлов

Схемы обвязки бойлера ГВС

Управление отоплением. Часть 4. Ротационные моторизованные клапаны