Гидравлический расчет системы отопления пример расчета

От правильного выбора всех элементов системы водяного отопления, их установки, во многом зависит эффективность её работы, сроки безаварийной и экономичной эксплуатации. Насколько экономичным и эффективным будет отопление в доме, покажут уже начальные вложения средств на этапе установки и монтажа системы. Рассмотрим подробнее как осуществляется гидравлический расчет систым отопления, с целью определения оптимальной мощности отопительной системы.

Эффективность системы отопления «на глазок»

Во многом суммы таких затрат зависят от:

• требуемых диаметров трубопроводов
• фитингов и соответствующих им приборов отопления
• переходников
• регулировочной и запорной арматуры

Желание минимизировать такие затраты не должно идти в ущерб качеству, но принцип разумной достаточности, некий оптимум, должен выдерживаться.

В большинстве современных индивидуальных отопительных комплексов применяются электронасосы для обеспечения принудительной циркуляции теплоносителя, в качестве которого часто используются незамерзающие составы антифризов. Гидравлическое сопротивление таких систем отопления для разных их типов теплоносителей будет разным.

Учитывая постоянно растущую стоимость энергоносителей (все виды топлива, электроэнергия) и расходных материалов (теплоносители, запчасти и пр.), следует с самого начала стремиться заложить в систему принцип минимизации расходов на эксплуатацию системы. Опять же, исходя из их оптимального соотношения для решения задачи создания комфортного температурного режима в отапливаемых помещениях.

Разумеется, соотношение мощности всех элементов отопительной системы должны обеспечивать оптимальный режим подачи теплоносителяк приборам отопления в объёме достаточном для выполнения основной задачи всей системы — обогрева и поддержания заданного температурного режима внутри помещения, независимо от изменения наружных температур. К элементам отопительной системы относятся:

• котел
• насос
• диаметр труб
• регулировочная и запорная арматура
• тепловые приборы

Помимо того, очень неплохо, если в проект изначально будет заложена определённая «эластичность», допускаюшая переход на иной вид теплоносителя (замена воды на антифриз). Кроме того, отопительная система, при меняющихся режимах эксплуатации никоим образом не должна вносить дискомфорт во внутренний микроклимат помещений.

Гидравлический расчёт и решаемые задачи

В процессе выполнения гидравлического расчёта отопительной системы, решается достаточно большой круг вопросов обеспечения выполнения приведенных выше и целого ряда дополнительных требований. В частности, находится диаметр труб на всех секторах по рекомендованным параметрам, включающим определение:

• скорости движения теплоносителя;
• оптимального теплообмена на всех участках и приборах системы, с учётом обеспечения его экономической целесообразности.

В процессе движения теплоносителя происходит неизбежное его трение о стенки трубы, возникают потери скорости, особенно заметные на участках, содержащих повороты, колена В задачи гидравлического расчёта входит определение потерь скорости движения среды, вернее, давления на отрезках системы, подобных указанным, для общего учёта и включения в проект требуемых компенсаторов. Параллельно определению потери давления, необходимо знать требуемый объём, называемый расходом, теплоносителя во всей проектируемой системе водяного отопления.

Учитывая разветвлённость современных отопительных систем и конструктивные требования реализации наиболее распространённых схем разводки, например, примерное равенство длин ветвей в коллекторной схеме, расчёт гидравлики даёт возможность учесть такие особенности. Это позволит обеспечить более качественную автобалансировку и увязку ветвей, включенных параллельно или по другой схеме. Такие возможности часто требуются в ходе эксплуатации с применением запорных и регулирующих элементов, в случае необходимости отключения или перекрытия отдельных веток и направлений, при возникновении необходимости работы системы в нестандартных режимах.

Подготовка выполнения расчёта

Проведению качественного и детального расчёта должны предшествовать ряд подготовительных мероприятий по выполнению расчётных графиков. Эту часть можно назвать сбором информации для проведения расчёта. Являясь самой сложной частью в проектировании водяной отопительной системы, расчёт гидравлики позволяет точно спроектировать всю её работу. В подготавливаемых данных обязательно должно присутствовать определение требуемого теплового баланса помещений, которые будут обогреваться проектируемой отопительной системой.

В проекте расчёт ведётся с учётом типа выбранных приборов отопления, с определёнными поверхностями теплообмена и размещения их в обогреваемых помещениях, это могут быть батареи секций радиаторов или теплообменники других типов. Точки их размещения указываются на поэтажных планах дома или квартиры.

Принимаемая схема конфигурирования системы водяного отопления должна быть оформлена графически. На этой схеме указывается место размещения генератора тепла (котёл), показываются точки крепления приборов отопления, прокладка основных подводящих и отводящих магистралей трубопроводов, прохода веток приборов отопления. На схеме подробно приводится расположение элементов регулирующей и запорной арматуры. Сюда входят все виды устанавливаемых кранов и вентилей, переходных клапанов, регуляторов, термостатов. В общем, всего, что принято называть регулирующей и запорной арматурой.

После определения на плане требуемой конфигурации системы, её необходимо вычертить в аксонометрической проекции по всем этажам. На такой схеме каждому отопительному прибору присваивается номер, указывается максимальная тепловая мощность. Важным элементом, также указываемым для теплового прибора на схеме, является расчётная длина участка трубопровода для его подключения.

Обозначения и порядок выполнения

На планах обязательно должно быть указано, определённое заранее, циркуляционное кольцо, называемое главным. Оно обязательно представляет собой замкнутый контур, включающий все отрезки трубопровода системы с наибольшим расходом теплоносителя. Для двухтрубных систем эти участки идут от котла (источника тепловой энергии) до самого удалённого теплового прибора и обратно к котлу. Для однотрубных систем берётся участок ветки — стояка и обратной части.

Единицей расчёта является отрезок трубопровода, имеющий неизменный диаметр и ток (расход) носителя тепловой энергии. Его величина определяется исходя из теплового баланса помещения. Принят определённый порядок обозначения таких отрезков, начиная от котла (источника тепла, генератора тепловой энергии), их нумеруют. Если от подающей магистрали трубопровода есть ответвления, их обозначение выполняется заглавными буквами в алфавитном порядке. Такой же буквой со штрихом обозначается сборная точка каждой ветки на обратном магистральном трубопроводе.

В обозначении начала ветки приборов отопления указывается номер этажа (горизонтальные системы) или ветки — стояка (вертикальные). Тот же номер, но со штрихом ставится в точке их подключения к обратной линии сбора потоков теплоносителя. В паре, эти обозначения составляют номер каждой ветки расчётного участка. Нумерация ведётся по часовой стрелке от левого верхнего угла плана. По плану определяется и длина каждой ветки, погрешность составляет не более 0,1 м.

На поэтажном плане отопительной системы по каждому её отрезку считается тепловая нагрузка, равная тепловому потоку, переданному теплоносителем, она принимается с округлением до 10 Вт. После определения по каждому прибору отопления в ветке, определяется суммарная нагрузка по теплу на магистральной подающей трубе. Как и выше, тут округление полученных значений ведётся до 10 Вт. После вычислений, каждый участок должен иметь двойное обозначение с указанием в числителе величины тепловой нагрузки, а в знаменателе — длины участка в метрах.

Требуемое количество (расход) теплоносителя на каждом участке легко определяется путём деления количества тепла на участке (скорректированное на коэффициент, учитывающий удельную теплоёмкость воды) на разность температур нагретого и охлаждённого теплоносителя на этом участке. Очевидно, что суммарное значение по всем рассчитанным участкам даст требуемое количество теплоносителя в целом по системе.

Не вдаваясь в детали, следует сказать, что дальнейшие расчёты позволяют определить диаметры труб каждого из участков системы отопления, потери давления на них, произвести гидравлическую увязку всех циркуляционных колец в сложных системах водяного отопления.

Последствия ошибок расчёта и способы их исправления

Очевидно, что гидравлический расчёт является достаточно сложным и ответственным этапом разработки отопления. Для облегчения подобных вычислений разработан целый математический аппарат, существуют многочисленные версии компьютерных программ, предназначенных для автоматизации процесса его выполнения.

Несмотря на это, от ошибок никто не застрахован. Среди наиболее распространённых выбор мощности тепловых приборов без проведения расчёта, указанного выше. В этом случае, помимо более высокой стоимости самих радиаторных батарей (если мощность больше требуемой), система будет затратной, расходуя повышенное количество топлива и требуя более значительных на свое содержание. Проще говоря, в комнатах будет жарко, форточки постоянно открыты и придётся дополнительно оплачивать обогрев улицы. В случае заниженной мощности попытки обогрева приведут к работе котла на повышенной мощности и также потребуют высоких финансовых затрат. Исправить такую ошибку достаточно сложно, возможно потребуется полностью переделывать всё отопление.

Если неверно проведен монтаж радиаторных батарей, эффективность работы всего отопительного комплекса также падает. К таким ошибкам относится нарушение правил установки батареи. Ошибки этой группы могу вдвое снизить теплоотдачу самых качественных тепловых приборов. Как и в первом случае, стремление повысить температуру в помещении, приведёт к дополнительным расходам энергоносителя. Чтобы исправить ошибки установки, зачастую достаточно переустановить и подключить заново радиаторные батареи.

Следующая группа ошибок относится к ошибке определения требуемой мощности источника тепла и приборов отопления. Если мощность котла заведомо выше мощности отопительных приборов, он будет работать неэффективно, потребляя большее количество топлива. Налицо двойной перерасход средств: в момент покупки такого котла и в ходе эксплуатации. Чтобы исправить положение, такой котёл, радиаторы или насос, а то и все трубы системы, придётся менять.

При расчёте требуемой мощности котла, может быть допущена ошибка в определении потерь тепла зданием. В результате мощность генератора тепловой энергии будет завышена. Результатом будет перерасход топлива. Чтобы исправить ошибку, придётся заменить котёл.

Ошибочный расчёт балансировки системы, нарушение требований примерного равенства веток может привести к необходимости установки более мощного насоса, позволяющего доставить носитель к дальним приборам отопления в нагретом состоянии. Однако в этом случае возможно появление «звукового сопровождения» в виде гула, свиста Если подобные ошибки допущены в системе тёплого водяного пола, то результатом установки мощного насоса может стать «поющий пол».

При ошибках определения требуемого количества теплоносителя или переводе гравитационной системы на принудительную циркуляцию, объём его может оказаться слишком велик, и дальние приборы отопления не будут работать. Как и ранее, попытки решения проблемы увеличением интенсивности прогрева, приведут к перерасходу газа, износу котла. Решить вопрос можно применением нового насоса и гидрострелки, тепловой пункт придётся всё равно переделывать.

После всего можно однозначно сказать, что проведение гидравлического расчёта системы отопления позволит гарантированно минимизировать расходы на всех этапах проектирования, устройства, монтажа и долговременной эксплуатации высокоэффективной системы водяного отопления.

Пример гидравлического расчета (видео)

Нужно отметить, что инженерные расчеты систем водоснабжения и отопления никак нельзя назвать простыми, но без них обойтись невозможно, только очень опытный специалист-практик может нарисовать систему отопления «на глазок» и безошибочно подобрать диаметры труб. Это если схема достаточно проста и предназначена для обогрева небольшого дома высотой 1 или 2 этажа. А когда речь идет о сложных двухтрубных системах, то рассчитывать их все равно придется. Эта статья для тех, кто решился самостоятельно выполнить расчет системы отопления частного дома. Мы изложим методику несколько упрощенно, но так, чтобы получить максимально точные результаты.

Цель и ход выполнения расчета

Конечно, за результатами можно обратиться к специалистам либо воспользоваться онлайн-калькулятором, коих хватает на всяких интернет-ресурсах. Но первое стоит денег, а второе может дать некорректный результат и его все равно надо проверять.

Так что лучше набраться терпения и взяться за дело самому. Надо понимать, что практическая цель гидравлического расчета – это подбор проходных сечений труб и определение перепада давления во всей системе, чтобы верно выбрать циркуляционный насос.

Примечание. Давая рекомендации по выполнению вычислений подразумевается, что теплотехнические расчеты уже сделаны, и радиаторы подобраны по мощности. Если же нет, то придется идти старым путем: принимать тепловую мощность каждого радиатора по квадратуре помещения, но тогда точность расчета снизится.

Общая схема расчета выглядит таким образом:

• подготовка аксонометрической схемы: когда уже выполнен расчет отопительных приборов, то известна их мощность, ее надо нанести на чертеж возле каждого радиатора;
• определение расхода теплоносителя и диаметров трубопроводов;
• расчет сопротивления системы и подбор циркуляционного насоса;
• расчет объема воды в системе и вместительности расширительного бака.

Любой гидравлический расчет системы отопления начинается со схемы, нарисованной в 3 измерениях для наглядности (аксонометрия). На нее наносятся все известные данные, в качестве примера возьмем участок системы, изображенный на чертеже:

Определение расхода теплоносителя и диаметров труб

Вначале каждую отопительную ветвь надо разбить на участки, начиная с самого конца. Разбивка делается по расходу воды, а он изменяется от радиатора к радиатору. Значит, после каждой батареи начинается новый участок, это показано на примере, что представлен выше. Начинаем с 1-го участка и находим в нем массовый расход теплоносителя, ориентируясь на мощность последнего отопительного прибора:

G = 860q/ ∆t, где:

• G – расход теплоносителя, кг/ч;
• q – тепловая мощность радиатора на участке, кВт;
• Δt– разница температур в подающем и обратном трубопроводе, обычно берут 20 ºС.

Для первого участка расчет теплоносителя выглядит так:

860 х 2 / 20 = 86 кг/ч.

Полученный результат надо сразу нанести на схему, но для дальнейших расчетов он нам понадобится в других единицах – литрах в секунду. Чтобы сделать перевод, надо воспользоваться формулой:

GV = G /3600ρ, где:

• GV – объемный расход воды, л/сек;
• ρ– плотность воды, при температуре 60 ºС равна 0.983 кг / литр.

Имеем: 86 / 3600 х 0,983 = 0.024 л/сек. Потребность в переводе единиц объясняется необходимостью использования специальных готовых таблиц для определения диаметра трубы в частном доме. Они есть в свободном доступе и называются «Таблицы Шевелева для гидравлических расчетов». Скачать их можно, перейдя по ссылке: http://dwg.ru/dnl/11875

В данных таблицах опубликованы значения диаметров стальных и пластмассовых труб в зависимости от расхода и скорости движения теплоносителя. Если открыть страницу 31, то в таблице 1 для стальных труб в первом столбце указаны расходы в л/сек. Чтобы не производить полный расчет труб для системы отопления частого дома, надо просто подобрать диаметр по расходу, как показано ниже на рисунке:

Примечание. В левом столбце под диаметром сразу же указывается скорость движения воды. Для систем отопления ее значение должно лежать в пределах 0.2—0.5 м/сек.

Итак, для нашего примера внутренний размер прохода должен составлять 10 мм. Но поскольку такие трубы не используются в отоплении, то смело принимаем трубопровод DN15 (15 мм). Проставляем его на схеме и переходим ко второму участку. Так как следующий радиатор имеет такую же мощность, то применять формулы не нужно, берем предыдущий расход воды и умножаем его на 2 и получаем 0.048 л/сек. Снова обращаемся к таблице и находим в ней ближайшее подходящее значение. При этом не забываем следить за скоростью течения воды v (м/сек), чтобы она не превышала указанные пределы (на рисунках отмечена в левом столбце красным кружочком):

Важно. Для систем отопления с естественной циркуляцией скорость движения теплоносителя должна составлять 0.1—0.2 м/сек.

Как видно на рисунке, участок №2 тоже прокладывается трубой DN15. Далее, по первой формуле находим расход на участке №3:

860 х 1,5 / 20 = 65 кг/ч и переводим его в другие единицы:

65 / 3600 х 0,983 = 0.018 л/сек.

Прибавив его к сумме расходов двух предыдущих участков, получаем: 0.048 + 0.018 = 0.066 л/сек и вновь обращаемся к таблице. Поскольку у нас в примере делается не расчет гравитационной системы, а напорной, то по скорости теплоносителя труба DN15 подойдет и на этот раз:

Идя таким путем, просчитываем все участки и наносим все данные на нашу аксонометрическую схему:

Расчет циркуляционного насоса

Подбор и расчет насоса заключается в том, чтобы выяснить потери давления теплоносителя, протекающего по всей сети трубопроводов. Результатом станет цифра, показывающая, какое давление следует развивать циркуляционному насосу, чтобы «продавить» воду по системе. Это давление вычисляют по формуле:

P = Rl + Z, где:

• Р – потери давления в сети трубопроводов, Па;
• R – удельное сопротивление трению, Па/м;
• l – длина трубы на одном участке, м;
• Z – потеря давления в местных сопротивлениях, Па.

Примечание. Двух – и однотрубная система отопления рассчитываются одинаково, по длине трубы во всех ветвях, а в первом случае — прямой и обратной магистрали.

Данный расчет достаточно громоздкий и сложный, в то время как значение Rl для каждого участка можно легко найти по тем же таблицам Шевелева. В примере синим кружочком отмечены значения 1000i на каждом участке, его надо только пересчитать по длине трубы. Возьмем первый участок из примера, его протяженность 5 м. Тогда сопротивление трению будет:

Rl = 26.6 / 1000 х 5 = 0.13 Бар.

Так же производим просчет всех участков попутной системы отопления, а потом результаты суммируем. Остается узнать значение Z, перепад давления в местных сопротивлениях. Для котла и радиаторов эти цифры указаны в паспорте на изделие. На все прочие сопротивления мы советуем взять 20% от общих потерь на трение Rl и все эти показатели просуммировать. Полученное значение умножаем на коэффициент запаса 1.3, это и будет необходимый напор насоса.

Следует знать, что производительность насоса – это не емкость системы отопления, а общий расход воды по всем ветвям и стоякам. Пример его расчета представлен в предыдущем разделе, только для подбора перекачивающего агрегата нужно тоже предусмотреть запас не менее 20%.

Расчет расширительного бака

Чтобы произвести расчет расширительного бака для закрытой системы отопления, необходимо выяснить, насколько увеличивается объем жидкости при ее нагреве от комнатной температуры +20 ºС до рабочей, находящейся в пределах 50—80 ºС. Эта задача тоже не из простых, но ее можно решить другим способом.

Вполне корректным считается принимать объем бака в размере десятой части от всего количества воды в системе, включая радиаторы и водяную рубашку котла. Поэтому снова открываем паспорта оборудования и находим в них вместительность 1 секции батареи и котлового бака.

Далее, расчет объема теплоносителя в системе отопления выполняется по простой схеме: вычисляется площадь поперечного сечения трубы каждого диаметра и умножается на ее длину. Полученные значения суммируются, к ним прибавляются паспортные данные, а потом от результата берется десятая часть. То есть, если во всей системе 150 л воды, то вместительность расширительного бака должна составлять 15 л.

Заключение

Многие, прочитав данную статью, могут отказаться от намерения считать гидравлику самостоятельно ввиду явной сложности процесса. Рекомендация для них – обратиться к специалисту-практику. Те же, кто проявил желание и уже сделал расчет тепловой мощности отопления на здание, наверняка справятся и с этой задачей. Но готовую схему с результатами все равно стоит показать опытному монтажнику для проверки.

Экономичность теплового комфорта в доме обеспечивают расчет гидравлики, её качественный монтаж и правильная эксплуатация. Главные компоненты отопительной системы — источник тепла (котёл), тепловая магистраль (трубы) и приборы теплоотдачи (радиаторы). Для эффективного теплоснабжения необходимо сохранить первоначальные параметры системы при любых нагрузках независимо от времени года.

Перед началом гидравлических расчётов выполняют:

• Сбор и обработку информации по объекту с целью:

• определения количества требуемого тепла;
• выбора схемы отопления.

Тепловой расчёт системы отопления с обоснованием:

объёмов тепловой энергии;

нагрузок;

теплопотерь.

Если водяное отопление признаётся оптимальным вариантом, выполняется гидравлический расчёт.

Расчёты проводились в программе Excel. Готовый результат можно посмотреть в конце инструкции.

Что такое гидравлический расчёт

Это третий этап в процессе создания тепловой сети. Он представляет собой систему вычислений, позволяющих определить:

• диаметр и пропускную способность труб;
• местные потери давления на участках;
• требования гидравлической увязки;
• общесистемные потери давления;
• оптимальный расход воды.

Согласно полученным данным осуществляют подбор насосов.

Для сезонного жилья, при отсутствии в нём электричества, подойдёт система отопления с естественной циркуляцией теплоносителя (ссылка на обзор).

Комплексные задачи — минимизация расходов:

1. капитальных – монтаж труб оптимального диаметра и качества;
2. эксплуатационных:
3. зависимость энергозатрат от гидравлического сопротивления системы;
4. стабильность и надёжность;
5. бесшумность.

Замена централизованного режима теплоснабжения индивидуальным упрощает методику вычислений

Для автономного режима применимы 4 метода гидравлического расчёта системы отопления:

1. по удельным потерям (стандартный расчёт диаметра труб);
2. по длинам, приведённым к одному эквиваленту;
3. по характеристикам проводимости и сопротивления;
4. сопоставление динамических давлений.

Два первых метода используются при неизменном перепаде температуры в сети.

Два последних помогут распределить горячую воду по кольцам системы, если перепад температуры в сети перестанет соответствовать перепаду в стояках/ответвлениях.

Расчет гидравлики системы отопления

Нам потребуются данные теплового расчёта помещений и аксонометрической схемы.

Вынесите данные в эту таблицу:

№ расчётного участка	Тепловая нагрузка	Длина
записать	записать	записать

Шаг 1: считаем диаметр труб

В качестве исходных данных используются экономически обоснованные результаты теплового расчёта:

1а. Оптимальная разница между горячим (tг) и охлаждённым( tо) теплоносителем для двухтрубной системы – 20º

• Δtco=tг- tо=90º-70º=20ºС

1б. Расход теплоносителя G, кг/час — для однотрубной системы.

2. Оптимальная скорость движения теплоносителя – ν 0,3-0,7 м/с.

Чем меньше внутренний диаметр труб — тем выше скорость. Достигая отметки 0,6 м/с, движение воды начинает сопровождаться шумом в системе.

3. Расчётная скорость теплопотока – Q, Вт.

Выражает количество тепла (W, Дж), переданного в секунду (единицу времени τ):

Формула для расчёта скорости теплопотока

4. Расчетная плотность воды: ρ = 971,8 кг/м3 при tср = 80 °С

5. Параметры участков:

Участок	Длина участка, м	Число приборов N, шт
1 — 2	1.78	1
2 — 3	2.60	1
3 — 4	2.80	2
4 — 5	2.80	2
5 — 6	2.80	4
6 — 7	2.80
7 — 8	2.20
8 — 9	6.10	1
9 — 10	0.5	1
10 — 11	0.5	1
11 — 12	0.2	1
12 — 13	0.1	1
13 — 14	0.3	1
14 — 15	1.00	1

Для определения внутреннего диаметра по каждому участку удобно пользоваться таблицей.

• зависимость скорости движения воды — ν, с
• теплового потока — Q, Вт
• расхода воды G, кг/час от внутреннего диаметра труб

Ø 8			Ø 10			Ø 12			Ø 15			Ø 20			Ø 25			Ø 50
ν	Q	G	v	Q	G	v	Q	G	v	Q	G	v	Q	G	v	Q	G	v	Q	G
0.3	1226	53	0.3	1916	82	0.3	2759	119	0.3	4311	185	0.3	7664	330	0.3	11975	515	0.3	47901	2060
0.4	1635	70	0.4	2555	110	0.4	3679	158	0.4	5748	247	0.4	10219	439	0.4	15967	687	0.4	63968	2746
0.5	2044	88	0.5	3193	137	0.5	4598	198	0.5	7185	309	0.5	12774	549	0.5	19959	858	0.5	79835	3433
0.6	2453	105	0.6	3832	165	0.6	5518	237	0.6	8622	371	0.6	15328	659	0.6	23950	1030	0.6	95802	4120
0.7	2861	123	0.7	4471	192	0.7	6438	277	0.7	10059	433	0.7	17883	769	0.7	27942	1207	0.7	111768	4806

Пример

Задача: подобрать диаметр трубы для отопления гостиной площадью 18 м², высота потолка 2,7 м.

• расход мощности – 1 кВт на 30 м³
• запас тепловой мощности – 20%

Расчёт:

• объём помещения: 18 * 2,7 = 48,6 м³
• расход мощности: 48,6 / 30 = 1,62 кВт
• запас на случай морозов: 1,62 * 20% = 0,324 кВт
• итоговая мощность: 1,62 + 0,324 = 1,944 кВт

Находим в таблице наиболее близкое значения Q:

Получаем интервал внутреннего диаметра: 8-10 мм.
Участок: 3-4.
Длина участка: 2.8 метров.

Шаг 2: вычисление местных сопротивлений

Чтобы определиться с материалом труб, необходимо сравнить показатели их гидравлического сопротивления на всех участках отопительной системы.

Факторы возникновения сопротивления:

Трубы для отопления

• в самой трубе:

• шероховатость;
• место сужения/расширения диаметра;
• поворот;
• протяжённость.

в соединениях:

тройник;

шаровой кран;

приборы балансировки.

Расчетным участком является труба постоянного диаметра с неизменным расходом воды, соответствующим проектному тепловому балансу помещения.

Для определения потерь берутся данные с учётом сопротивления в регулирующей арматуре:

1. длина трубы на расчётном участке/l,м;
2. диаметр трубы расчётного участка/d,мм;
3. принятая скорость теплоносителя/u, м/с;
4. данные регулирующей арматуры от производителя;
5. справочные данные:
6. коэффициент трения/λ;
7. потери на трение/∆Рl, Па;
8. расчетная плотность жидкости/ρ = 971,8 кг/м3;
9. технические характеристики изделия:
10. эквивалентная шероховатость трубы/kэ мм;
11. толщина стенки трубы/dн×δ, мм.

Для материалов со сходными значениями kэ производители предоставляют значение удельных потерь давления R, Па/м по всему сортаменту труб.

Для поиска гидросопротивления/ΔP в одном участке сети подставляем данные в формулу Дарси-Вейсбаха:

Для стальных и полимерных труб (из полипропилена, полиэтилена, стекловолокна и т.д.) коэффициент трения/ λ наиболее точно вычисляется по формуле Альтшуля:

Re — число Рейнольдса, находится по упрощённой формуле (Re=v*d/ν) или с помощью онлайн-калькулятора:

Шаг 3: гидравлическая увязка

Для балансировки перепадов давления понадобится запорная и регулирующая арматура.

• проектная нагрузка (массовый расход теплоносителя — воды или низкозамерзающей жидкости для систем отопления);
• данные производителей труб по удельному динамическому сопротивлению/А, Па/(кг/ч)²;
• технические характеристики арматуры.
• количество местных сопротивлений на участке.

Задача: выровнять гидравлические потери в сети.

В гидравлическом расчёте для каждого клапана задаются установочные характеристики (крепление, перепад давления, пропускная способность). По характеристикам сопротивления определяют коэффициенты затекания в каждый стояк и далее — в каждый прибор.

Фрагмент заводских характеристик поворотного затвора

Выберем для вычислений метод характеристик сопротивления S,Па/(кг/ч)².

Потери давления/∆P, Па прямо пропорциональны квадрату расхода воды по участку/G, кг/ч:

В физическом смысле S — это потери давления на 1 кг/ч теплоносителя:

где:

• ξпр — приведенный коэффициент для местных сопротивлений участка;
• А — динамическое удельное давление, Па/(кг/ч)².

Удельным считается динамическое давление, возникающее при массовом расходе 1 кг/ч теплоносителя в трубе заданного диаметра (информация предоставляется производителем).

Σξ — слагаемое коэффициентов по местным сопротивлениям в участке.

Приведенный коэффициент:

Он суммирует все местные сопротивления:

С величиной:

которая соответствует коэффициенту местного сопротивления с учётом потерь от гидравлического трения.

Шаг 4: определение потерь

Гидравлическое сопротивление в главном циркуляционном кольце представлено суммой потерь его элементов:

• первичного контура/ΔPIк ;
• местных систем/ΔPм;
• теплогенератора/ΔPтг;
• теплообменника/ΔPто.

Сумма величин даёт нам гидравлическое сопротивление системы/ΔPсо:

Обзор программ

Для удобства расчётов применяются любительские и профессиональные программы вычисления гидравлики.

Самой популярной является Excel.

Можно воспользоваться онлайн-расчётом в Excel Online, CombiMix 1.0, или онлайн-калькулятором гидравлического расчёта. Стационарную программу подбирают с учётом требований проекта.

• HERZ C.O. 3.5 – производит расчёт по методу удельных линейных потерь давления.
• DanfossCO и OvertopCO – умеют считать системы с естественной циркуляцией.
• «Поток» (Potok) — позволяет применять метод расчёта с переменным (скользящим) перепадом температур по стоякам.

Следует уточнять параметры ввода данных по температуре — по Кельвину/по Цельсию.

Как работать в EXCEL

Использование таблиц Excel очень удобно, поскольку результаты гидравлического расчёта всегда сводятся к табличной форме. Достаточно определить последовательность действий и подготовить точные формулы.

Ввод исходных данных

Выбирается ячейка и вводится величина. Вся остальная информация просто принимается к сведению.

Ячейка	Величина	Значение, обозначение, единица выражения
D4	45,000	Расход воды G в т/час
D5	95,0	Температура на входе tвх в °C
D6	70,0	Температура на выходе tвых в °C
D7	100,0	Внутренний диаметр d, мм
D8	100,000	Длина, L в м
D9	1,000	Эквивалентная шероховатость труб ∆ в мм
D10	1,89	Сумма коэф. местных сопротивлений — Σ(ξ)

Пояснения:

• значение в D9 берётся из справочника;
• значение в D10 характеризует сопротивления в местах сварных швов.

Формулы и алгоритмы

Выбираем ячейки и вводим алгоритм, а также формулы теоретической гидравлики.

Ячейка	Алгоритм	Формула	Результат	Значение результата
D12	!ERROR! D5 does not contain a number or expression	tср=(tвх+tвых)/2	82,5	Средняя температура воды tср в °C
D13	!ERROR! D12 does not contain a number or expression	n=0,0178/(1+0,0337*tср+0,000221*tср2)	0,003368	Кинематический коэф. вязкости воды — n, cм2/с при tср
D14	!ERROR! D12 does not contain a number or expression	ρ=(-0,003*tср2-0,1511*tср+1003, 1)/1000	0,970	Средняя плотность воды ρ,т/м3 при tср
D15	!ERROR! D4 does not contain a number or expression	G’=G*1000/(ρ*60)	773,024	Расход воды G’, л/мин
D16	!ERROR! D4 does not contain a number or expression	v=4*G:(ρ*π*(d:1000)2*3600)	1,640	Скорость воды v, м/с
D17	!ERROR! D16 does not contain a number or expression	Re=v*d*10/n	487001,4	Число Рейнольдса Re
D18	!ERROR! Cell D17 does not exist	λ=64/Re при Re≤2320 λ=0,0000147*Re при 2320≤Re≤4000 λ=0,11*(68/Re+∆/d)0,25 при Re≥4000	0,035	Коэффициент гидравлического трения λ
D19	!ERROR! Cell D18 does not exist	R=λ*v2*ρ*100/(2*9,81*d)	0,004645	Удельные потери давления на трение R, кг/(см2*м)
D20	!ERROR! Cell D19 does not exist	dPтр=R*L	0,464485	Потери давления на трение dPтр, кг/см2
D21	!ERROR! Cell D20 does not exist	dPтр=dPтр*9,81*10000	45565,9	и Па соответственно D20
D22	!ERROR! D10 does not contain a number or expression	dPмс=Σ(ξ)*v2*ρ/(2*9,81*10)	0,025150	Потери давления в местных сопротивлениях dPмс в кг/см2
D23	!ERROR! Cell D22 does not exist	dPтр=dPмс*9,81*10000	2467,2	и Па соответственно D22
D24	!ERROR! Cell D20 does not exist	dP=dPтр+dPмс	0,489634	Расчетные потери давления dP, кг/см2
D25	!ERROR! Cell D24 does not exist	dP=dP*9,81*10000	48033,1	и Па соответственно D24
D26	!ERROR! Cell D25 does not exist	S=dP/G2	23,720	Характеристика сопротивления S, Па/(т/ч)2

Пояснения:

• значение D15 пересчитывается в литрах, так легче воспринимать величину расхода;
• ячейка D16 — добавляем форматирование по условию: «Если v не попадает в диапазон 0,25…1,5 м/с, то фон ячейки красный/шрифт белый».

Для трубопроводов с перепадом высот входа и выхода к результатам добавляется статическое давление: 1 кг/см2 на 10 м.

Оформление результатов

Авторское цветовое решение несёт функциональную нагрузку:

• Светло-бирюзовые ячейки содержат исходные данные – их можно менять.
• Бледно-зелёные ячейка — вводимые константы или данные, мало подверженные изменениям.
• Жёлтые ячейки — вспомогательные предварительные расчёты.
• Светло-жёлтые ячейки — результаты расчётов.
• Шрифты:

• синий — исходные данные;
• чёрный — промежуточные/неглавные результаты;
• красный — главные и окончательные результаты гидравлического расчёта.

Результаты в таблице Эксель

Пример от Александра Воробьёва

Пример несложного гидравлического расчёта в программе Excel для горизонтального участка трубопровода.

• длина трубы100 метров;
• ø108 мм;
• толщина стенки 4 мм.

Таблица результатов расчёта местных сопротивлений

Усложняя шаг за шагом расчёты в программе Excel, вы лучше осваиваете теорию и частично экономите на проектных работах. Благодаря грамотному подходу, ваша система отопления станет оптимальной по затратам и теплоотдаче.