Физические параметры и скорости движения теплоносителей. Об оптимальной скорости движения воды в трубопроводах теплосетей

Гидравлический расчёт трубопроводов системы отопления

Как видно из названия темы в расчёте участвуют такие параметры, связанные с гидравликой, как расход теплоносителя, скорость потока теплоносителя, гидравлическое сопротивление трубопроводов и арматуры. При этом между указанными параметрами существует полная взаимосвязь.

Например при увеличении скорости теплоносителя увеличивается гидравлическое сопротивление трубопровода. При увеличении расхода теплоносителя через трубопровод определённого диаметра скорость теплоносителя возрастает и естественно растёт гидравлическое сопротивление при этом изменяя диаметр в большую сторону скорость и гидравлическое сопротивление снижаются. Анализируя эти взаимосвязи гидравлический расчёт превращается в своего рода анализ параметров для обеспечения надёжной и эффективной работы системы и снижения затрат на материалы.

Система отопления состоит из четырёх основных компонентов это трубопроводы, отопительные приборы, теплогенератор, регулирующая и запорная арматура. Все элементы системы имеют свои характеристики гидравлического сопротивления и должны учитываться при расчёте. При этом, как было сказано выше, гидравлические характеристики не являются постоянными. Производители отопительного оборудования и материалов обычно приводят данные по гидравлическим характеристикам (удельные потери давления) на производимое ими материалы или оборудование.

Например:

Номограмма для гидравлического расчёта полипропиленовых трубопроводов производства фирмы FIRAT (Фират)

Удельные потери давления (потеря напора) трубопровода указано для 1 м.п. трубы.

Проанализировав номограмму вы более наглядно увидите ранее указанные взаимосвязи между параметрами.

Итак суть гидравлического расчёта мы определили.

Теперь пройдёмся отдельно по каждому из параметров.

Расход теплоносителя

Расход теплоносителя, для более широкого понимания количество теплоносителя, напрямую зависит от тепловой нагрузки которую теплоноситель должен переместить от теплогенератора к отопительному прибору.

Конкретно для гидравлического расчёта требуется определить расход теплоносителя на заданном расчётном участке. Что такое расчётный участок. Расчетным участком трубопровода принимается участок постоянного диаметра с неизменным расходом теплоносителя. Например если в состав ветки входят десять радиаторов (условно каждый прибор мощностью 1 кВт) а общий расход теплоносителя рассчитан на перенос теплоносителем тепловой энергии равной 10 кВт. То первым участком будет участок от теплогенератора до первого в ветке радиатора (при условии что по всему участку постоянный диаметр) с расходом теплоносителя на перенос 10 кВт. Второй участок будет находится между первым и вторым радиатором с расходом на перенос тепловой энергии 9 кВт и так далее вплоть до последнего радиатора. Рассчитывается гидравлическое сопротивление как подающего трубопровода так и обратного.

Расход теплоносителя (кг/час) для участка рассчитывается по формуле:

G уч = (3,6 * Q уч) / (с * (t г - t о)) кг/ч

Q уч - тепловая нагрузка участка Вт. Например для вышеуказанного примера тепловая нагрузка первого участка равна 10 кВт или 1000 Вт.

с = 4,2 кДж/(кг·°С) - удельная теплоемкость воды

t г - расчетная температура горячего теплоносителя в системе отопления, °С

t о - расчетная температура охлажденного теплоносителя в системе отопления, °С.

Скорость потока теплоносителя.

Минимальный порог скорости теплоносителя рекомендуют принимать в пределах 0,2 - 0,25 м/с. На меньших скоростях начинается процесс выделения избыточного воздуха содержащегося в теплоносителе что может приводить к образованию воздушных пробок и как следствие полный либо частичный отказ работы системы отопления. Верхний порог скорости теплоносителя лежит в диапазоне 0,6 - 1,5 м/с. Соблюдение верхнего порога скорости позволяет избежать возникновение гидравлических шумов в трубопроводах. На практике было определён оптимальный диапазон скорости 0,3 - 0,7 м/с.

Более точный диапазон рекомендованной скорости теплоносителя зависит от материала трубопроводов применяемых в системе отопления а точнее от коэффициента шероховатости внутренней поверхности трубопроводов. Например для стальных трубопроводов лучше придерживаться скорости теплоносителя от 0,25 до 0,5 м/с для медных и полимерных (полипропиленовые, полиэтиленовые, металлопластиковые трубопроводы) от 0,25 до 0,7 м/с либо воспользоваться рекомендациями производителя при их наличии.

С помощью гидравлического расчета можно правильно подобрать диаметры и длину труб, правильно и быстро сбалансировать систему с помощью радиаторных клапанов. Результаты этого расчета также помогут правильно подобрать циркуляционный насос.

В результате гидравлического расчета необходимо получить следующие данные:

m - расход теплоносителя для всей системы отопления, кг/с;

ΔP - потери напора в системе отопления;

ΔP 1 , ΔP 2 ... ΔP n , - потери напора от котла (насоса) до каждого радиатора (от первого до n-го);

Расход теплоносителя

Расход теплоносителя рассчитывается по формуле:

Cp - удельная теплоемкость воды, кДж/(кг*град.C); для упрощенных расчетов принимаем равной 4,19 кДж/(кг*град.C)

ΔPt - разность температур на входе и выходе; обычно берем подачу и обратку котла

Калькулятор расхода теплоносителя (только для воды)

Q = кВт; Δt = o C; m = л/с

Точно также можно посчитать расход теплоносителя на любом участке трубы. Участки выбираются так, чтобы в трубе была одинаковая скорость воды. Таким образом, разбиение на участки происходит до тройника, либо до редукции. Нужно просуммировать по мощности все радиаторы, к которым течет теплоноситель через каждый участок трубы. Потом подставить значение в формулу выше. Эти расчеты необходимо сделать для труб перед каждым радиатором.

Скорость теплоносителя

Затем, используя полученные значения расхода теплоносителя, необходимо для каждого участка труб перед радиаторами вычислить скорость движения воды в трубах по формуле :

где V - скорость движения теплоносителя, м/с;

m - расход теплоносителя через участок трубы, кг/с

ρ - плотность воды, кг/куб.м. можно принять равной 1000 кг/куб.м.

f - площадь поперечного сечения трубы, кв.м. можно посчитать по формуле: π * r 2 , где r - внутренний диаметр, деленный на 2

Калькулятор скорости теплоносителя

m = л/с; труба мм на мм; V = м/с

Потери напора в трубе

ΔPp тр = R * L,

ΔPp тр - потеря напора в трубе на трение, Па;

R - удельные потери на трение в трубе, Па/м; в справочной литературе производителя трубы

L - длина участка, м;

Потери напора на местных сопротивлениях

Местные сопротивления на участке труб - это сопротивление на фитингах, арматуре, оборудовании и т.п. Потери напора на местных сопротивлениях рассчитываются по формуле :

где Δp м.с. - потери напора на местных сопротивлениях, Па;

Σξ - сумма коэффициентов местных сопротивлений на участке; коэффициенты местных сопротивлений указываются производителем для каждого фитинга

V - скорость теплоносителя в трубопроводе, м/с;

ρ - плотность теплоносителя, кг/м 3 .

Итоги гидравлического расчета

В итоге необходимо просуммировать сопротивления всех участков до каждого радиатора и сравнить с контрольными значениями. Для того, чтобы насос, встроенный в , обеспечил теплом все радиаторы, потери напора на самой длинной ветке не должны превышать 20000 Па. Скорость движения теплоносителя на любом участке должна быть в диапазоне 0,25 - 1,5 м/с. При скорости выше 1,5 м/с в трубах может появиться шум, а минимальная скорость в 0,25 м/с рекомендуется по во избежание завоздушивания труб.

Для того, чтобы выдержать вышеуказанные условия, достаточно правильно подобрать диаметры труб. Это можно сделать по таблице.

В ней указана суммарная мощность радиаторов, которые труба обеспечивает теплом.

Быстрый подбор диаметров труб по таблице

Для домов площадью до 250 кв.м. при условии, что стоит насос 6-ка и радиаторные термоклапаны, можно не делать полный гидравлический расчет. Можно подобрать диаметры по таблице ниже. На коротких участках можно немного превысить мощность. Расчеты произведены для теплоносителя Δt=10 o C и v=0,5м/с.

Труба	Мощность радиаторов, кВт
Труба 14х2 мм	1.6
Труба 16х2 мм	2,4
Труба 16х2,2 мм	2,2
Труба 18х2 мм	3,23
Труба 20х2 мм	4,2
Труба 20х2,8 мм	3,4
Труба 25х3,5 мм	5,3
Труба 26х3 мм	6,6
Труба 32х3 мм	11,1
Труба 32х4,4 мм	8,9
Труба 40х5,5 мм	13,8

Обсудить эту статью, оставить отзыв в

Долго горячая доходит до дальней батареи. И эта батарея внизу холодная, хотя открыта на всю. А все до нее почти закрыты и так же внизу холодные. двухтрубная система. когда предпоследнюю батарею открываю на полную, то вся вода через нее идет и последней вообще ничего не достается. поэтому прикрыл понемногу все из такого расчета чтобы верх был горячим, а низ еле теплым. Тогда всем хватает. Воздух, как мог спускал. Если поднять температура воды (когда морозы), то дальняя батарея горячее. Обратка еле теплая. Всего около 130 элементов батарей плюс примерно 180м трубы на 20 пластиковой. Батареи алюминиевые. Получается 2 ветки по 40 метров подающей трубы и столько же обратной. Плюс к самим батареям от труб подвод увод. Котел Baxi Slim 1.300i на 30КВт с собственным насосом и баком. Создается впечатление, что вода идет медленно, возможно из-за чего-то что ей мешает. На эту мысль натолкнул факт, что когда делали первое включение, то не пошло, все перегревалось. Спец от конторы продавца сказал, что мы перепутали подачу с обраткой, хотя я неоднократно проверял по инструкции к котлу. После того как монтажник перепаял наоборот, все сразу пошло, но выяснилось, что мы не перепутали. А когда вернули обратно, снова не идет и перегревается. После того как монтажник догадался спустить воздух из системы, все пошло, но хуже. После первого года эксплуатации убрал мусор из сетки фильтра, но это практически не повлияло. У меня еще и на подаче фильтр. С него я сетку убрал, но так же без результатно. Вот прошло еще 2 года, пытаюсь понять что не так. Или насоса не хватает все же. Но у меня 200м2 отапливается (дом с невысокой мансардой), а котел рассчитан на гораздо больше, значит насос так же должен быть рассчитан на такой объем воды. Мерить давление чтобы найти место затора бесполезно. Оно везде будет одинаковым и составляет 1 атм по манометру, который в котле. Вот и не пойму что еще проверять и где смотреть чтобы найти причину такого состояния системы отопления частного дома. Поставить расходомер проблемно, надо паять, да и не дешево это. В свое время старался по максимуму сделать саму систему отопления с запасом. Чтобы не мерзнуть. Хотя отделки еще нет и не известно когда будет, особо нигде не дует. Теплопотери по расходу газа если мерить, то примерно 0,5 Вт на м2 на градус, если не ошибся в расчетах. При площади стен, пола и крыши (потолка на втором этаже нет) 600м2 средней разнице температуры между улицей и домом 30 градусов получилось на отопление 720м3 газа в месяц. Итого около 10КВт в час, что намного меньше мощности котла (30КВт). В паспорте котла написано 1,2м3 воды в час при напоре 3м.

Журнал «Новости теплоснабжения» № 1, 2005 г., www.ntsn.ru

К.т.н. О.Д. Самарин, доцент, Московский государственный строительный университет

Существующие в настоящее время предложения относительно оптимальной скорости движения воды в трубопроводах систем теплоснабжения (до 3 м/с) и допустимых удельных потерях давления R (до 80 Па/м) основаны главным образом на технико-экономических расчетах. Они учитывают, что с ростом скорости уменьшаются сечения трубопроводов и снижается объем теплоизоляции, т.е. сокращаются капиталовложения в устройство сети, но одновременно увеличиваются эксплуатационные затраты на перекачку воды из-за роста гидравлического сопротивления, и наоборот. Тогда оптимальная скорость соответствует минимуму приведенных затрат за расчетный срок амортизации системы.

Однако в условиях рыночной экономики обязательно следует принимать во внимание дисконтирование эксплуатационных издержек Э (руб./год) и капитальных затрат К (руб.). В этом случае формула для вычисления совокупных дисконтированных затрат (СДЗ), при использовании заемных средств, приобретает следующий вид :

В данном случае - коэффициенты дисконтирования капитальных и эксплуатационных затрат, вычисляемые в зависимости от расчетного срока амортизации Т (лет), и нормы дисконта р. Последняя учитывает уровень инфляции и рисков капиталовложений, т.е., в конечном счете, степень нестабильности экономики и характер изменения текущих тарифов, и определяется обычно методом экспертных оценок . В первом приближении величина р соответствует годовому проценту за банковский кредит. На практике ее можно принимать в размере ставки рефинансирования ЦБ РФ. Начиная с 15 января 2004 г., она равна 14% годовых.

Причем заранее неизвестно, что минимум СДЗ с учетом дисконтирования будет соответствовать такому же уровню скорости воды и удельных потерь, которые рекомендуются в литературе . Поэтому целесообразно провести новые расчеты с использованием современного диапазона цен на трубопроводы, теплоизоляцию и электроэнергию. В этом случае, если считать, что трубопроводы функционируют в условиях квадратичного режима сопротивления, и вычислять удельные потери давления по формулам, приведенным в литературе , для оптимальной скорости движения воды можно получить следующую формулу:

Здесь К ти - коэффициент удорожания трубопроводов за счет наличия теплоизоляции. При применении отечественных материалов типа минераловатных матов можно принять К ти = 1,3. Параметр С D представляет собой удельную стоимость одного метра трубопровода (руб./м 2), отнесенную к внутреннему диаметру D (м). Поскольку в прайс-листах обычно указывается цена в рублях за тонну металла С м, пересчет необходимо производить по очевидному соотношению , где - толщина стенки трубопровода (мм), =7,8 т/м 3 - плотность материала трубопроводов. Величина С эл соответствует тарифу на электроэнергию. По данным ОАО «Мосэнерго» на первую половину 2004 г. для коммунальных потребителей С эл = 1,1723 руб./кВтч.

Формула (2) получена из условия d(СДЗ)/dv=0. Определение эксплуатационных затрат производилось с учетом того, что эквивалентная шероховатость стенок трубопроводов равна 0,5 мм , а КПД сетевых насосов составляет около 0,8. Плотность воды p w считалась равной 920 кг/м 3 для характерного диапазона температур в тепловой сети. Кроме того, предполагалось, что циркуляция в сети осуществляется круглогодично, что вполне оправданно, исходя из нужд горячего водоснабжения.

Анализ формулы (1) показывает, что для больших сроков амортизации Т (10 лет и выше), характерных для тепловых сетей, отношение коэффициентов дисконтирования практически равно своему предельному минимальному значению р/100. В этом случае выражение (2) дает наименьшую экономически целесообразную скорость воды, соответствующую условию, когда годовой процент за кредит, взятый на строительство, равен годовой прибыли от снижения эксплуатационных издержек, т.е. при бесконечном сроке окупаемости. При конечном сроке оптимальная скорость будет выше. Но в любом случае эта скорость будет превышать вычисленную без учета дисконтирования, поскольку тогда, как легко убедиться, , а в современных условиях пока получается 1/Т< р/100.

Значения оптимальной скорости воды и соответствующие им целесообразные удельные потери давления, вычисленные по выражению (2) при среднем уровне C D и предельном соотношении , приведены на рис.1. Следует иметь в виду, что в формулу (2) входит величина D, которая заранее неизвестна, поэтому сначала целесообразно задаться средним значением скорости (порядка 1,5 м/с), определить диаметр по заданному расходу воды G (кг/ч), а затем вычислить фактическую скорость и оптимальную скорость по (2) и проверить, будет ли v ф больше, чем v опт. В противном случае следует диаметр уменьшить и повторить расчет. Можно также получить соотношение непосредственно между G и D. Для среднего уровня C D оно приведено на рис. 2.

Таким образом, экономически оптимальная скорость воды в тепловых сетях, вычисленная для условий современной рыночной экономики, в принципе не выходит за пределы, рекомендованные в литературе . Однако, эта скорость меньше зависит от диаметра, чем при соблюдении условия по допустимым удельным потерям, и при малых и средних диаметрах оказываются целесообразными повышенные значения R вплоть до 300 - 400 Па/м. Следовательно, предпочтительнее дополнительно снижать капитальные вложения (в

данном случае - уменьшать сечения и увеличивать скорость), и тем в большей степени, чем выше норма дисконта. Поэтому имеющееся в ряде случаев на практике стремление к сокращению единовременных затрат при устройстве инженерных систем получает теоретическое обоснование.

Литература

1. А.А Ионин и др. Теплоснабжение. Учебник для вузов. - М.: Стройиздат, 1982, 336 с.

2. В.Г.Гагарин. Критерий окупаемости затрат на повышение теплозащиты ограждающих конструкций зданий в различных странах. Сб. докл. конф. НИИСФ, 2001, с. 43 - 63.

Индивидуальные системы гидравлического отопления

Чтобы правильно провести гидравлический расчет системы отопления, необходимо принять во внимание некоторые эксплуатационные параметры самой системы. Сюда входят скорость теплоносителя, его расход, гидравлическое сопротивление запорной арматуры и трубопровода, инертность и так далее.

Может показаться, что эти параметры никак друг с другом не связаны. Но это ошибка. Связь между ними прямая, поэтому нужно при анализе опираться именно на них.

Приведем пример этой взаимосвязи. Если увеличить скорость теплоносителя, то сразу же возрастет сопротивление трубопровода. Если увеличить расход, то увеличивается скорость горячей воды в системе, а, соответственно, и сопротивление. Если увеличить диаметр труб, то снижается скорость движения теплоносителя, а значит, снижается сопротивление трубопровода.

Система отопления включает в себя 4 основных компонента:

1. Отопительный котел.
2. Трубы.
3. Приборы отопления.
4. Запорная и регулирующая арматура.

Каждый из этих компонентов имеет свои параметры сопротивления. Ведущие производители обязательно их указывают, потому что гидравлические характеристики могут изменяться. Они во многом зависят от формы, конструкции и даже от материала, из которого изготовлены составляющие отопительной системы. И именно эти характеристики являются самыми важными при проведении гидравлического анализа отопления.

Что же такое гидравлические характеристики? Это удельные потери давления. То есть, в каждом виде отопительного элемента, будь то труба, вентиль, котел или радиатор, всегда присутствует сопротивление со стороны конструкции прибора или со стороны стенок. Поэтому, проходя по ним, теплоноситель теряет свое давление, а, соответственно, и скорость.

Расход теплоносителя

Расход теплоносителя

Чтобы показать, как производится гидравлический расчет отопления, возьмем для примера простую отопительную схему, в которую входят отопительный котел и радиаторы отопления с киловаттным потреблением тепла. И таких радиаторов в системе 10 штук.

Здесь важно правильно разбить всю схему на участки, и при этом точно придерживаться одного правила - на каждом участке диаметр труб не должен меняться.

Итак, первый участок - это трубопровод от котла до первого отопительного прибора. Второй участок - это трубопровод между первым и вторым радиатором. И так далее.

Как происходит теплоотдача, и каким образом понижается температура теплоносителя? Попадая в первый радиатор, теплоноситель отдает часть тепла, которое снижается на 1 киловатт. Именно на первом участке гидравлический расчет производится под 10 киловатт. А вот на втором участке уже под 9. И так далее с понижением.

Обратите внимание, что для подающего контура и для обратки данный анализ выполняется отдельно.

Существует формула, по которой можно рассчитать расход теплоносителя:

G = (3,6 х Qуч) / (с х (tr-to))

Qуч - это расчетная тепловая нагрузка участка. В нашем примере для первого участка она равна 10 кВт, для второго 9.

с - удельная теплоемкость воды, показатель постоянный и равный 4,2 кДж/кг х С;

tr - температура теплоносителя при входе на участок;

to - температура теплоносителя при выходе с участка.

Скорость теплоносителя

Схематический расчет

Существует минимальная скорость горячей воды внутри отопительной системы, при которой само отопление работает в оптимальном режиме. Это 0,2-0,25 м/с. Если она уменьшается, то из воды начинает выделяться воздух, что ведет к образованию воздушных пробок. Последствия - отопление не будет работать, и котел закипит.

Это нижний порог, а что касается верхнего уровня, то он не должен превышать 1,5 м/с. Превышение грозит появлением шумов внутри трубопровода. Наиболее приемлемый показатель - 0,3-0,7 м/с.

Если необходимо провести точный подсчет скорости движения воды, то придется принять во внимание параметры материала, из которого изготовлены трубы. Особенно в этом случае учитывается шероховатость внутренних поверхностей труб. К примеру, по стальным трубам горячая вода движется со скоростью 0,25-0.5 м/с, по медным 0,25-0,7 м/с, по пластиковым 0,3-0,7 м/с.

Выбор основного контура

Гидравлическая стрелка отделяет котловые и отопительные контура

Здесь необходимо рассматривать отдельно две схемы - однотрубную и двухтрубную. В первом случае расчет нужно вести через самый нагруженный стояк, где установлено большое количество отопительных приборов и запорной арматуры.

Во втором случае выбирается самый загруженный контур. Именно на его основе и нужно делать подсчет. Все остальные контуры будет иметь гидравлическое сопротивление гораздо ниже.

В том случае, если рассматривается горизонтальная развязка труб, то выбирается самое загруженное кольцо нижнего этажа. Под загруженностью понимают тепловую нагрузку.

Заключение

Отопление в доме

Итак, подведем итог. Как видите, чтобы сделать гидравлический анализ отопительной системы дома, необходимо учесть многое. Пример специально был простым, поскольку разобраться, скажем, с двухтрубной системой отопления дома в три или более этажей очень сложно. Для проведения такого анализа придется обратиться в специализированное бюро, где профессионалы разберут весь «по косточкам».

Необходимо будет учесть не только вышеописанные показатели. Сюда придется включить потерю давления, снижение температуры, мощность циркуляционного насоса, режим работы системы и так далее. Показателей много, но все они присутствуют в ГОСТах, и специалист быстро разберется, что к чему.

Единственное, что необходимо предоставить для расчета - это мощность отопительного котла, диаметр труб, наличие и количество запорной арматуры и мощность насоса.