Гидравлический расчет трубопроводов систем холодо — и теплоснабжения, систем отопления и других систем, где в качестве энергоносителя используется вода либо раствор этиленгликоля
Это бестабличный метод расчета, использующий программируемый калькулятор типа СГГ^ЕЫ 8ЯР-325С, позволяющий записывать программу в 400 шагов (требуется менее 200) и имеющий 26 блоков памяти (требуется 16 блоков), либо самый простой ПК, воспринимающий БЕЙСИК.
Метод позволяет в несколько раз снизить время расчетов и повысить точность результатов. Методика рассчитана на любые температурные режимы энергоносителя (вода либо этиленгликоль) и трубопроводы из различных материалов (сталь, медь, металло — полимеры, сшитый полиэтилен) с различной степенью абсолютной шероховатости.
Гидравлическому расчету предшествует вычерчивание аксонометрической схемы системы, проставление на схеме номеров участков, их нагрузок в Вт и длин в м.
Для систем отопления определяется основное циркуляционное кольцо ОЦК — в двух трубной тупиковой системы отопления от распределительного коллектора до нижнего прибора самого удаленного стояка и обратно к сборному коллектору; для системы с попутным движением воды — через нижний прибор среднего, наиболее нагруженного стояка. В случае установки термостатических головок расчет ведется через верхний прибор.
Такая же схема определения ОЦК применяется и для схем тепло — и холодоснабже — ния фанкойлов (при 4-трубной схеме подача тепла и холода рассчитываются отдельно, при 2-трубной схеме система считается по холоду, как среде, создающей большее гидравлическое сопротивление).
Системы холода — и теплоснабжения рассчитываются от генератора энергии до самого удаленного потребителя и обратно.
Потери давления в системе определяются суммой потерь давления на участках ОЦК и в дальнейшем определяют выбор напора циркуляционного насоса.
Методика позволяется также производить гидравлическую увязку всех ответвлений с ОЦК.
Расчетные формулы.
Скорость движения воды в трубопроводе, V, м/с:
Где () — нагрузка (тепло или холод) на участок, Вт;
М, °С — разность температур транспортируемой среды (для отопления: Д/ = / — ?0, °С,
Г ‘О’
|
Для холодоснабжения: Аt = t0-tx, °С); |
°гл-
О X ■
Р — плотность среды, кг/м при tcp = *г, °С или? ср = ^ ^ ?0 ,°С; (12.2)
С! в — внутренний диаметр трубопровода, мм.
Для этиленгликоля: V = 374—————- м/с (из-за меньшей теплоемкости) (12.3)
А/* р*ёв
|
Трубы черные, водогазопроводные, обыкновенные или электросварные |
Если материалом трубопроводов выбирается сталь, то система монтируется из черных водогазопроводных труб (ГОСТ 3262-75) или электросварных (ГОСТ 10704-91) и внутренний диаметр принимается по табл. 12.1.
|
Диаметр в дюймах |
Условный диаметр прохода «1, мм |
Фактический внутренний диаметр (1., мм |
|
3/ /8 |
10 |
12,6 |
|
1/ /2 |
15 |
15,7 |
|
З/ /4 |
20 |
21,2 |
|
1 |
25 |
27.1 |
|
1/4 |
32 |
35,9 |
|
40 |
41 |
|
|
2 |
50 |
53 |
|
9 1/ 172 |
65 |
76,5 |
|
3 |
80 |
80,5 |
|
Таблица 12.1 |
Трубы черные, водогазопроводные применяются обычно до <Зу = 50, а для больших размеров используются трубы стальные бесшовные (ГОСТ 8732-78).
Маркируются бесшовные трубы по наружному (как и все остальные) диаметру и толщине стенки в мм.
Для санитарно-технических систем рекомендуются Следующие размеры бесшовных труб:
|
Таблица 12.2
|
|
Условный диаметр прохода df, мм |
Наружный диаметр d„, мм |
Толщина стенки, мм |
Внутренний диаметр d„, мм |
|
125 |
133 |
4 |
125 |
|
150 |
159 |
4,5 |
150 |
|
200 |
219 |
6 |
207 |
|
250 |
273 |
7 |
259 |
|
300 |
325 |
8 |
309 |
|
Сортамент медных труб маркируется по наружному диаметру и толщине стенки в мм. |
|
Наружный диаметр d„, мм |
Толщина стенки, мм |
Внутренний диаметр d„, мм |
Объем воды, л/м |
Масса трубы, KI |
|
10 |
1,0 |
8 |
0,05 |
0,25 |
|
12 |
1,0 |
10 |
0,08 |
0,31 |
|
15 |
1,0 |
13 |
0,13 |
0,39 |
|
18 |
1,0 |
16 |
0,20 |
0,48 |
|
22 |
1,0 |
20 |
0,31 |
0,59 |
|
22 |
1.5 |
19 |
0,28 |
0,86 |
|
28 |
1.0 |
26 |
0,53 |
0,76 |
|
28 |
1,5 |
25 |
0,49 |
1,12 |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
35 |
1,5 |
32 |
0,80 |
1,41 |
|
42 |
1,5 |
39 |
1,20 |
1,71 |
|
54 |
2,0 |
50 |
1,96 |
2,92 |
|
64 |
2,0 |
60 |
2,83 |
3,48 |
|
76,1 |
2,0 |
72,1 |
4,83 |
4,16 |
|
88,9 |
2.0 |
84,9 |
5,66 |
4,86 |
|
108 |
2,5 |
103 |
8,33 |
7,37 |
|
Таблица 12.3 |
|
Сортамент твердых медных труб по стандарту EN 1057. |
Трубы из сшитого полиэтилена со специальным слоем, препятствующим проникновению кислорода в энергоноситель, или полипропиленовые или металлополимерные трубы изготавливаются различными фирмами, и их внутренние диаметры следует брать из соответствующих каталогов. Так, например, фирма KAN применяет металлополимерные трубы PE-Xc/AL/PE-Xc диаметрами: 14/2; 16/2; 20/2; 26/3 мм (наружный диаметр и толщина стенки).
Критерий Рейнольдса определяется по формуле
R =0,001 *V*dyv, (12.4)
Где V— скорость энергоносителя, м/с; de — внутренний диаметр, мм;
— кинематическая вязкость среды, м2/с, зависящая от температуры.
|
Температура, 1, °С |
Избыточное давление для предотвращения вскипания, Р, кПа |
Плотность, р, кг/м3 |
Кинематическая вязкость у(ню) 10" м2/с |
|
0 |
0 |
1000 |
1,79 |
|
10 |
0 |
1000 |
1,31 |
|
20 |
0 |
998 |
1,01 |
|
30 |
0 |
996 |
0,805 |
|
40 |
0 |
992 |
0,659 |
|
50 |
0 |
988 |
0,556 |
|
60 |
0 |
983 |
0,479 |
|
70 |
0 |
978 |
0,415 |
|
80 |
0 |
972 |
0,366 |
|
90 |
0 |
965 |
0.326 |
|
100 |
30 |
958 |
0,295 |
|
120 |
102 |
943 |
0,244 |
|
140 |
268 |
926 |
0,212 |
|
160 |
530 |
907 |
0,19 |
|
180 |
923 |
887 |
0,173 |
|
Таблица 12.4 |
|
Температура, 1, °С |
Плотность р, кг/м3 |
Кинематическая вязкость, 106 м2/с |
Удельная теплоемкость, С, кДж/кг°С |
|
50 |
1055 |
1,3 |
3,61 |
|
20 |
1055 |
2,78 |
3,48 |
|
0 |
1055 |
5,85 |
3,44 |
|
-10 |
1055 |
9,1 |
3,4 |
|
-20 |
1055 |
11,7 |
3.38 |
|
-25 |
1055 |
15,2 |
3,36 |
|
-30 |
1055 |
20,5 |
3,33 |
|
Таблица 12.5 |
|
Кинематическая вязкость и плотность воды |
|
Кинематическая вязкость и плотность водного раствора этиленгликоля (концентрация 42,6%, температура замерзания — 29 °С) |
Коэффициент гидравлического трения X при числе Рейнольдса менее 2200 вычисляется по формуле Варфоломеевой:
SHAPE \* MERGEFORMAT 
|
0,8 |
||
|
1 + 4 |
Э |
|
|
С! |
||
|
_ |
|
(12.5) |
|
Яе |
При большем числе Рейнольдса (подавляющее число расчетов) — по формуле Кольбрука:
|
(12.6) |
|
+ — |
= -21*
|
Которую можно преобразовать: |
(12.7)
-2 lg 2,51 / Re/ уіХ + Кэ / 3,7 / de
Формула Кольбрука содержит искомую величину А, в обоих частях формулы, поэтому в программе сначала задается величина X = 0,04 и затем трижды вычисляется методом последовательного приближения, так что в конечном итоге ошибка от номинальной величины X составляет менее 0,1 %.
В указанных формулах Кэ — абсолютная шероховатость трубопроводов в мм: для стальных труб Кэ = 0,2 мм, для медных труб Кэ = 0,11 мм, для полимерных труб Кэ = 0,005 мм.
Падение давления на участке трубопровода, Ар, Па:
(12.8)
|
1000 *?1*/ |
V2
*
|
+ |
— * р, Па,
Где 1уч — длина участка, м;
С1в — внутренний диаметр, мм;
^ КМ С — сумма коэффициентов местных сопротивлений на участке.
Предварительно в калькулятор вводятся величины:
П 304 374 ,
В =—- для воды, или В = для этиленгликоля (из табл.6)
Дґ А/
С = 0,001 /V (из табл.6)
Н = р (из табл.6) кг/м3
К/3,7 для стали И = 0,054
Для меди Р = 0,03
Для полимеров Р = 0,00135
|
Таблица вводимых коэффициентов |
С = 2,51 1 = 1000
|
T t °С |
T °С |
T °С |
V10", м2/с |
Плотность Н, кг/м3 |
В |
С |
|
Энергоноситель — вода |
||||||
|
40 |
30 |
35 |
0,732 |
994 |
30,4 |
1366 |
|
60 |
40 |
50 |
0,556 |
988 |
15,2 |
1798 |
|
80 |
60 |
70 |
0,415 |
978 |
15,2 |
2410 |
|
85 |
65 |
75 |
0,390 |
975 |
15,2 |
2564 |
|
Таблица 12.6 |
|
T t "С V lx> ^ |
T °C Lo’ |
T °C Lcp’ |
V10’6, M2/c |
Плотность H, кг/м3 |
В |
С |
|
90 |
70 |
80 |
0,366 |
972 |
15,2 |
2732 |
|
95 |
70 |
82,5 |
0,356 |
970 |
12,16 |
2809 |
|
110 |
70 |
90 |
0,326 |
965 |
7,6 |
3067 |
|
130 |
70 |
100 |
0,295 |
958 |
5,07 |
3390 |
|
150 |
70 |
110 |
0,268 |
951 |
3,8 |
3730 |
|
5 |
15 |
10 |
1,31 |
1000 |
30,4 |
763 |
|
6 |
12 |
9 |
1.36 |
1000 |
50,7 |
735 |
|
Энергоноситель — этиленгликоль |
||||||
|
60 |
40 |
50 |
1,3 |
1055 |
18,7 |
769 |
|
-4 |
2 |
-1 |
6,0 |
1055 |
62,4 |
167 |
|
5 |
15 |
10 |
9,1 |
1055 |
37,4 |
110 |
Ввод коэффициентов проводится по схеме:
Число [SAVE] Буква [ENTER]
Контролируется по схеме:
[ALPHA] Буква [ENTER]
Программа вводится как до так и после ввода коэффициентов однажды, а коэффициенты зависят от начальных условий.
Программа №1.
10 INPUT Q, D, L, S [ENTER]
20 V = Q * B/H/D2 [ENTER]
30 PRINT «V=», V; A [ENTER] На дисплей выводится скорость среды, м/с 40R = V*D*C [ENTER]
50 Y = — 2 * LOG(12/R+F/D) [ENTER]
60 W = — 2 * LOG(G*Y/R+F/D) [ENTER]
70 U = — 2 * LOG(G*W/R+F/D) [ENTER]
80Z= U2 1 [ENTER]
90 P — V2 * (I*Z*L/D+S) * H/2 [ENTER]
100 PRINT «Р=», P; END[CL/ESC] — на дисплее потери давления на участке, Па
Принятые обозначения: Q, Вт — нагрузка на участок:
D, мм — внутренний диаметр;
L, м — длина участка;
S — сумма КМ С на участке;
Р, Па — потери давления.
Если критерий Рейнольдса (R) < 2200 (что может быть при расчете подводок к отопительным приборам в системах отопления с естественной циркуляцией), то вводится программа №2 на основе формулы Варфоломеевой:
10 INPUT Q, D, L, S [ENTER]
20 V = Q *B/H/D2 [ENTER]
30 PRINT «V=», V; [ENTER] на дисплее скорость, м/с 40R = V*D*C [ENTER]
50 PRINT «R=», R; Л [ENTER] на дисплее Рейнольдс 60 Z = [(3,7*F/D)08]*64/R [ENTER]
70 P = V2 * (I*Z*L/D+S) * H/2 [ENTER]
80 PRINT «Р=», P; END [CL/ESC] на дисплее потери давления, Па
Во всех случаях S — сумма коэффициентов местных сопротивлений на участке.
|
Таблица местных сопротивлений
|
Для всех диаметров:
TOC o "1-5" h z Радиатор 2,0
Внезапное расширение 1,0
Внезапное сужение 0,5
Задвижка параллельная 0,5
Тройник-проход 1,0
Тройник-поворот 1,5
Тройник-противоток 3,0
Крестовина-проход 2,0
Крестовина-поворот 3,0
Угольник 1,2
Критерии при выборе диаметров трубопроводов:
— стальные и медные трубы. Скорость движения воды: V = 0,3 — 0,8 м/с
— полимерные трубы: с1 12/2 — с114/2 V = 0,25 — 0,4 м/с
Й 16/2 — й 18/2 V = 0,35 — 0,5 м/с й 20/2 — й 25/2 V = 0,45 — 0,6 м/с выше с125/2 V = 0,5 — 0,75 м/с. Скорость воды более 0,11 м/с достаточна для удаления воздуха в горизонтальных трубопроводах.
Падение давления в термостатических вентилях может лежать в пределах 5—8 кПа, но должно поддерживать авторитет вентиля в пределах 0,3 — 0,7.
Пример расчета системы холодоснабжения фанкойлов, установленных в 3-этажном здании банка
Исходные данные:
Холодоноситель — раствор этиленгликоля с температурой замерзания 1ъ = -29 °С, получаемый отчиллера, установленного на крыше. Параметры раствора: 1Х = 15 °С, 10 = 5°С. Трубопроводы системы — медные.
Аксонометрическая схема системы холодоснабжения (южный фасад).
|
|
Устанавливаем параметры переменных величин для ввода в микрокалькулятор: В = 37,4
Н= 1055
F = 0,03 (для меди)
G = 2,51 и I = 1000 введены ранее, они не меняются.
Включаем режим RUN программирования и вводим нагрузку Q, Вт, внутренний диаметр D, мм, длину L, м, и сумму KMC, S.
|
Таблица гидравлического расчета холодопроводов
|
Потери в трубопроводах составят 45 кПа. К ним следует добавить потери в теплообменнике фанкойла и трехходовом регулирующем клапане (20-25 кПа) и балансировочных клапанах на ответвлении (5-10 кПа). С учетом 10 % надбавки на неучтенные потери следует подбирать циркуляционный насос насосной станции чиллера.
Исходные данные.
Параметры теплоносителя: 1г = 80 °С, 1:0 = 60 °С.
Отопительные приборы: стальные штампованные радиаторы с нижней подводкой теплоносителя и термостатическими вентилями.
Материал трубопроводов: магистрали из стальных водогазопроводных труб, стояки и подводки — из металлополимерных труб РЕ-Хс/АЬ/РЕ-Хс.
Источник тепла: газовая котельная, пристроенная к дому.
Аксонометрическая схема системы отопления
|
Поворот на 90 |
|
Поворот на 90 |
|
Прибор верхнего этажа <Ь- |
|
Узел |
|
Подсоединения стояка с магистралью стояк |
|
Термостатический і I вентиль |
|
Тройник с прбкой для слива воды |
|
На вторую половину дома |
|
Воздухо- Выпускнойной Кран |
|
Т1 |
Узел подключения с вентилями
Т2
К стояку
Устанавливаем параметры переменных величин для ввода в микрокалькулятор:
В = 15,2 С = 2410 Н = 978
F = 0,054 для стали F = 0,00135 для металлополимеров.
Включаем режим RUN программирования и вводим для каждого участка нагрузку Q, Вт, внутренний диаметр D, мм, длину L, м, и сумму KMC, S.
Основное циркуляционное кольцо проходит через средний стояк 3. После расчета ОЦК выполняем расчет через первый стояк 1 и последний стояк 5.
Таблица гидравлического расчета трубопроводов системы отопления
|
№ Участ. |
Нагрузка О. Вт |
(ІВ, Мм |
Длина Ь, м |
Скорость V, м/с |
Сумма КМС |
Потери давления Р, Па |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
|
Основное циркуляционное кольцо через стояк 3 |
||||||
|
7 |
21000 |
27,1 |
5,4 |
0,444 |
Задвижка 0,5. Внезап. Сужение 0,5 3 отвода 3 х1=3 Е = 4,0 |
1091 |
|
8 |
16200 |
21,2 |
6,2 |
0.560 |
Тройник — проход 1,0 |
1914 |
|
9 |
12000 |
21,2 |
8,4 |
0,414 |
Тройник — проход 1,0 отвод 1,0 £ = 2,0 |
1500 |
|
19 |
5000 |
16 |
0,6 |
0,303 |
2 отвода 2×2=4 Вентиль 16 Тр — поворот 1,5 £ = 21,5 |
1020 |
|
20 |
4400 |
12 |
3,2 |
0.475 |
Тройник — проход 1,0 |
967 |
|
21 |
2400 |
10 |
3,2 |
0,373 |
Крестовина — проход 2,0 |
843 |
|
22 |
1200 |
10 |
1,2 |
0.187 |
Тр-поворот 1,5, отвод 2,0, Вентиль 20, Радиатор 2,0, Термостат=5кПа X = 25,5 |
5513 |
|
23 |
1200 |
10 |
1,3 |
0,187 |
Отвод 2,0 Тр-противоток 3,0 Вентиль 20 I = 25,0 |
512 |
|
24 |
2400 |
10 |
3,2 |
0,373 |
Крестовина — проход 2,0 |
843 |
|
25 |
4400 |
12 |
3,2 |
0,475 |
Тройник-проход 1,0 |
967 |
|
26 |
5000 |
16 |
0,6 |
0.303 |
2 отвода 2×2=4 Тр-поворот 1,5 Вентиль 16 £ = 21,5 |
1020 |
|
4 |
14000 |
21,2 |
7,6 |
0.484 |
Тройник-проход 1,0 отвод 1,0 £ = 2,0 |
1853 |
|
5 |
17800 |
27,1 |
6.2 |
0.377 |
Тройник-проход 1,0 |
657 |
|
6 |
21000 |
27,1 |
12,4 |
0,444 |
4 отвода 4×1=4 Задвижка 0,5 внезап. Расшир. 1,0 I = 5,5 |
2150 |
|
ДР ОЦК = 20850 Па Гидравлическое кольцо через стояк 1 (первый) Расчетное циркуляционное давление: Д Р рас = А Р участков 8,9,19 ^ 26 = 15100 Па |
||||||
|
27 ‘ |
4800 |
16 |
0,6 |
0.291 |
2 отвода 2×2=4, Вентиль 16, Тр-поворот 1,5 Е = 21,5 |
940 |
|
28 |
4000 |
12 |
3,2 |
0,431 |
Тройник-проход 1,0 |
816 |
|
29 |
2200 |
10 |
3,2 |
0,342 |
Крестовина-проход 2,0 |
722 |
|
30 |
1100 |
10 |
1,2 |
0,171 |
Тр-поворот 1,5, отвод 2,0, Вентиль 20, Радиатор 2, Термостат 5 кПа I = 25,5 |
5433 |
|
31 |
1100 |
10 |
1,3 |
0,171 |
Отвод 2,0 Тр-противоток 3,0 Вентиль 20 Ъ = 25,0 |
432 |
|
32 |
2200 |
10 |
3,2 |
0,342 |
Крестовина-проход 2,0 |
722 |
|
33 |
4000 |
12 |
3,2 |
0,431 |
Тройник-проход 1,0 |
816 |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
|
34 |
4800 |
16 |
0,6 |
0,291 |
2 отвода 2×2=4, Вентиль 16, Тр-поворот 1,5 I = 21,5 |
940 |
|
2 |
4800 |
15,7 |
6,2 |
0.303 |
Отвод 2,0 Тройник-проход 1,0 |
846 |
|
3 |
9000 |
15,7 |
8,4 |
0,567 |
Тройник-проход 1,0 |
3821 |
|
15488 |
||||||
|
Навязка давления Д = ГП5 100 — 15 484У151001 х100% = 2,5% < 5% |
||||||
|
Гидравлическое кольцо через стояк 5 (последний) |
||||||
|
Расчетное циркуляционное давление: |
||||||
|
ДР рас = ДР участков 19 ^ 26,4,5 = 14 195 Па |
||||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
|
10 |
7000 |
15,7 |
7,6 |
0,441 |
Тройник-проход 1,0 |
2128 |
|
11 |
3200 |
15,7 |
6,6 |
0.202 |
Отвод 2,0 Вентиль 16 Тр-проход1,0 Е=19,0 |
772 |
|
12 |
2800 |
10 |
3,2 |
0,435 |
Тройник-проход 1,0 |
1019 |
|
13 |
1600 |
10 |
3,2 |
0,249 |
Крестовина-проход 2,0 |
410 |
|
14 |
800 |
10 |
1,2 |
0,124 |
Тр. поворот 1,5 Отвод 2,0 Вентиль 20 Радиатор 2 Термостат 5 кПа Е = 25,5 |
5232 |
|
15 |
800 |
10 |
1,3 |
0,124 |
Отвод 2;0 Тр-противоток 3,0 Вентиль 20 Е = 25,0 |
232 |
|
16 |
1600 |
10 |
3,2 |
0,249 |
Крестовина-проход 2,0 |
410 |
|
17 |
2800 |
10 |
3,2 |
0,435 |
Тройник-проход 1,0 |
1019 |
|
18 |
3200 |
10 |
0,8 |
0,497 |
2 отвода 2×2=4,0 Тр-поворот 1,5 Вентиль 16 2 = 21,5 |
2893 |
|
14115 |
||||||
|
Невязка давления : Д = Г(14 195 — 14 115)/141951 х 100% = 0,6% < 5% |
Posted in Системы вентиляции и кондиционирования