Obliczenia hydrauliczne systemu grzewczego

Treść artykułu



Dzisiaj przeanalizujemy, jak wykonać obliczenia hydrauliczne systemu grzewczego. Rzeczywiście, do dziś rozpowszechnia się praktyka projektowania systemów grzewczych pod wpływem kaprysu. Jest to zasadniczo błędne podejście: bez wstępnych obliczeń podnosimy poprzeczkę w zakresie zużycia materiałów, prowokujemy nienormalne tryby pracy i tracimy możliwość osiągnięcia maksymalnej wydajności.

Obliczenia hydrauliczne systemu grzewczego

Cele i zadania obliczeń hydraulicznych

Z technicznego punktu widzenia system ogrzewania cieczą wydaje się dość złożonym kompleksem, obejmującym urządzenia do wytwarzania ciepła, transportu go i oddawania w ogrzewanych pomieszczeniach. Idealny tryb pracy dla hydraulicznego systemu grzewczego to taki, w którym czynnik chłodzący absorbuje maksymalne ciepło ze źródła i przekazuje je do atmosfery w pomieszczeniu bez strat podczas ruchu. Oczywiście takie zadanie wydaje się zupełnie nieosiągalne, ale bardziej przemyślane podejście pozwala przewidzieć zachowanie systemu w różnych warunkach i zbliżyć się jak najbliżej benchmarków. To jest główny cel projektowania systemów grzewczych, których najważniejszą częścią są obliczenia hydrauliczne..

Praktyczne cele projektowania hydraulicznego to:

  1. Dowiedz się, z jaką prędkością i przy jakiej objętości chłodziwo porusza się w każdym węźle systemu.
  2. Określ, jaki wpływ ma zmiana trybu pracy każdego urządzenia na cały kompleks jako całość.
  3. Określić, jaka wydajność i charakterystyka pracy poszczególnych jednostek i urządzeń będzie wystarczająca, aby system grzewczy wykonywał swoje funkcje bez znacznego wzrostu kosztów i zapewniając nieracjonalnie wysoki margines bezpieczeństwa.
  4. Docelowo – zapewnić ściśle odmierzoną dystrybucję energii cieplnej w różnych strefach grzewczych i zapewnić utrzymanie tego rozkładu z wysoką stałością.

Obliczenia hydrauliczne systemu grzewczego

Można powiedzieć więcej: bez choćby podstawowych obliczeń niemożliwe jest osiągnięcie akceptowalnej stabilności i długotrwałego użytkowania sprzętu. Modelowanie działania układu hydraulicznego jest w rzeczywistości podstawą, na której opiera się dalszy rozwój projektu..

Rodzaje systemów grzewczych

Tego rodzaju zadania inżynieryjne komplikuje duża różnorodność systemów grzewczych, zarówno pod względem skali, jak i konfiguracji. Istnieje kilka rodzajów węzłów cieplnych, z których każdy ma swoje własne prawa:

1. Dwururowe systemy ślepea – najpowszechniejsza wersja urządzenia, doskonale nadająca się do organizacji zarówno centralnego, jak i indywidualnego obiegu grzewczego.

Obliczenia hydrauliczne systemu grzewczegoDwururowy ślepy system ogrzewania

2. System jednorurowy lub „Leningradka”uważany jest za najlepszy sposób budowy cywilnych kompleksów ciepłowniczych o mocy cieplnej do 30-35 kW.

Obliczenia hydrauliczne systemu grzewczegoInstalacja jednorurowa z wymuszonym obiegiem: 1 – kocioł grzewczy; 2 – grupa bezpieczeństwa; 3 – grzejniki; 4 – dźwig Mayevsky; 5 – zbiornik wyrównawczy; 6 – pompa obiegowa; 7 – spust

3. System dwururowy typu przelotowego– najbardziej materiałochłonny sposób odsprzęgania obwodów grzewczych, który wyróżnia się najwyższą znaną stabilnością pracy oraz jakością rozprowadzenia chłodziwa.

Obliczenia hydrauliczne systemu grzewczegoDwururowy system grzewczy (pętla Tichelmana)

4. Układ belekpod wieloma względami przypomina jazdę dwururową, ale jednocześnie wszystkie elementy sterujące systemu umieszczone są w jednym miejscu – w zespole kolektora.

Obliczenia hydrauliczne systemu grzewczegoObwód ogrzewania radiacyjnego: 1 – kocioł; 2 – zbiornik wyrównawczy; 3 – kolektor zasilający; 4 – grzejniki; 5 – kolektor powrotny; 6 – pompa obiegowa

Zanim przejdziemy do stosowanej strony obliczeń, należy poczynić kilka ważnych zastrzeżeń. Przede wszystkim musisz się nauczyć, że kluczem do dobrych obliczeń jest zrozumienie zasad działania systemów płynów na poziomie intuicyjnym. Bez tego rozważanie każdego indywidualnego rozwiązania zamienia się w przeplatanie złożonych obliczeń matematycznych. Drugi to praktyczna niemożność przedstawienia w jednym przeglądzie więcej niż podstawowych pojęć; po bardziej szczegółowe wyjaśnienia lepiej odnieść się do takiej literatury na temat obliczeń systemów grzewczych:

  • V. Pyrkov „Hydrauliczna regulacja systemów ogrzewania i chłodzenia. Teoria i praktyka ”, wydanie drugie, 2010.
  • R. Jaushovets „Hydraulika – serce ogrzewania wody”.
  • Instrukcja hydrauliki kotłowni firmy De Dietrich.
  • A. Saveliev „Ogrzewanie w domu. Obliczanie i instalacja systemów „.

Określenie natężenia przepływu i prędkości ruchu chłodziwa

Najbardziej znana metoda obliczania układów hydraulicznych opiera się na danych z obliczeń cieplnych, które określają szybkość uzupełniania strat ciepła w każdym pomieszczeniu, a tym samym moc cieplną zainstalowanych w nich grzejników. Na pierwszy rzut oka wszystko jest proste: mamy całkowitą wartość mocy cieplnej, a następnie dozujemy przepływ nośnika ciepła do każdego urządzenia grzewczego. Dla większej wygody wstępnie zbudowany jest szkic aksonometryczny układu hydraulicznego, który jest opatrzony adnotacjami wymaganymi wskaźnikami mocy grzejników lub pętli podgrzewanej wody..

Obliczenia hydrauliczne systemu grzewczegoSchemat aksonometryczny układu grzewczego

Przejście od inżynierii cieplnej do obliczeń hydraulicznych odbywa się poprzez wprowadzenie pojęcia przepływu masowego, czyli pewnej masy chłodziwa dostarczanego do każdej sekcji obwodu grzewczego. Przepływ masowy to stosunek wymaganej mocy cieplnej do iloczynu właściwej pojemności cieplnej chłodziwa przez różnicę temperatur w rurociągach zasilającym i powrotnym. W ten sposób na szkicu instalacji grzewczej zaznaczono kluczowe punkty, dla których wskazany jest nominalny przepływ masowy. Dla wygody przepływ objętościowy jest określany równolegle, biorąc pod uwagę gęstość zastosowanego nośnika ciepła.

G = Q / (c (t2 – t1))

  • G – natężenie przepływu chłodziwa, kg / s
  • Q – wymagana moc cieplna, W.
  • c – pojemność cieplna właściwa chłodziwa, dla wody pobrana jako 4200 J / (kg ° C)
  • ?T = (t2 – t1) – różnica temperatur między zasilaniem a powrotem, ° С

Logika jest prosta: aby dostarczyć wymaganą ilość ciepła do grzejnika, należy najpierw określić objętość lub masę chłodziwa o danej pojemności cieplnej przechodzącej przez rurociąg na jednostkę czasu. Aby to zrobić, wymagane jest określenie prędkości ruchu chłodziwa w obwodzie, która jest równa stosunkowi przepływu objętościowego do pola przekroju poprzecznego wewnętrznego przejścia rurowego. Jeżeli prędkość oblicza się w odniesieniu do przepływu masowego, do mianownika należy dodać wartość gęstości chłodziwa:

V = G / (? F)

  • V – prędkość ruchu chłodziwa, m / s
  • G – natężenie przepływu chłodziwa, kg / s
  • ? – gęstość chłodziwa, dla wody można przyjąć 1000 kg / m3
  • f – pole przekroju poprzecznego rury określa wzór ?­R2, gdzie r jest wewnętrzną średnicą rury podzieloną przez dwa

Dane dotyczące natężenia przepływu i prędkości są niezbędne do określenia nominalnej wielkości rur odsprzęgających, a także przepływu i wysokości podnoszenia pomp obiegowych. Urządzenia z wymuszonym obiegiem muszą wytwarzać nadciśnienie, aby pokonać opór hydrodynamiczny rur oraz zaworów odcinających i regulacyjnych. Największą trudnością jest obliczenie hydrauliczne układów z naturalną (grawitacyjną) cyrkulacją, dla których wymagane nadciśnienie jest obliczane z prędkości i stopnia rozszerzalności objętościowej ogrzanego chłodziwa.

Straty ciśnienia i ciśnienia

Obliczenie parametrów zgodnie z opisanymi powyżej współczynnikami byłoby wystarczające dla modeli idealnych. W rzeczywistości zarówno przepływ objętościowy, jak i prędkość płynu chłodzącego zawsze będą się różnić od obliczonych w różnych punktach systemu. Przyczyną tego jest opór hydrodynamiczny na ruch płynu chłodzącego. Wynika to z wielu czynników:

  1. Siły tarcia chłodziwa o ścianki rur.
  2. Lokalne opory przepływu utworzone przez armaturę, kurki, filtry, zawory termostatyczne i inne armatury.
  3. Obecność rozgałęzionych typów łączących i rozgałęziających.
  4. Burzliwe wiry w rogach, przewężeniach, rozszerzeniach itp..

Obliczenia hydrauliczne systemu grzewczego

Problem znalezienia spadku ciśnienia i prędkości w różnych częściach układu słusznie uważany jest za najtrudniejszy; leży w dziedzinie obliczeń mediów hydrodynamicznych. Zatem siły tarcia płynu o wewnętrzne powierzchnie rury są opisywane funkcją logarytmiczną, która uwzględnia szorstkość materiału i lepkość kinematyczną. Obliczenia turbulentnych wirów są jeszcze bardziej skomplikowane: najmniejsza zmiana profilu i kształtu kanału sprawia, że ​​każda sytuacja jest wyjątkowa. Aby ułatwić obliczenia, wprowadzono dwa współczynniki odniesienia:

  1. Kvs– charakteryzowanie przepustowości rur, grzejników, separatorów i innych obszarów zbliżonych do liniowych.
  2. DOSM– określanie rezystancji miejscowej w różnych kształtkach.

Czynniki te są wskazywane przez producentów rur, zaworów, zaworów, filtrów dla każdego produktu. Współczynniki są dość łatwe: aby określić utratę głowy, Kms mnoży się przez stosunek kwadratu prędkości ruchu chłodziwa do podwójnej wartości przyspieszenia ziemskiego:

?godzSM = K.SM (V2/ 2g)lub ?pSM = K.SM (? V2/ 2)

  • ?godzSM – utrata głowy na lokalnych oporach, m
  • ?pSM – strata ciśnienia na lokalnych oporach, Pa
  • DOSM – współczynnik lokalnego oporu
  • g – przyspieszenie ziemskie 9,8 m / s2
  • ? – gęstość chłodziwa, dla wody 1000 kg / m3

Strata ciśnienia w odcinkach liniowych jest stosunkiem pojemności kanału do znanego współczynnika pojemności, a wynik podziału należy podnieść do drugiej potęgi:

P = (G / Kvs)2

  • P – utrata głowy, bar
  • G – rzeczywiste natężenie przepływu chłodziwa, m3/godzina
  • Kvs – przepustowość, m3/godzina

Wstępne równoważenie systemu

Najważniejszym końcowym celem obliczeń hydraulicznych systemu grzewczego jest obliczenie takich wartości przepustowości, przy których ściśle odmierzona ilość chłodziwa o określonej temperaturze dostaje się do każdej części każdego obwodu grzewczego, co zapewnia znormalizowane wydzielanie ciepła na urządzeniach grzewczych. To zadanie wydaje się trudne tylko na pierwszy rzut oka. W rzeczywistości równoważenie odbywa się za pomocą zaworów sterujących ograniczających przepływ. Dla każdego modelu zaworu wskazano zarówno współczynnik Kvs dla położenia pełnego otwarcia, jak i krzywą współczynnika Kv dla różnych stopni otwarcia trzpienia regulacyjnego. Zmieniając przepustowość zaworów, które z reguły są instalowane w punktach połączeń urządzeń grzewczych, można osiągnąć pożądaną dystrybucję chłodziwa, a tym samym ilość przekazywanego przez niego ciepła.

Obliczenia hydrauliczne systemu grzewczego

Jest jednak mały niuans: kiedy przepustowość zmienia się w jednym punkcie systemu, zmienia się nie tylko rzeczywiste natężenie przepływu w rozpatrywanej sekcji. Ze względu na spadek lub wzrost przepływu równowaga we wszystkich innych obwodach zmienia się do pewnego stopnia. Jeśli weźmiemy na przykład dwa grzejniki o różnej mocy cieplnej, połączone równolegle z nadjeżdżającym ruchem chłodziwa, to wraz ze wzrostem przepustowości urządzenia, które jest pierwsze w obwodzie, drugie otrzyma mniej chłodziwa ze względu na wzrost różnicy oporów hydrodynamicznych. Wręcz przeciwnie, gdy natężenie przepływu spada z powodu zaworu regulacyjnego, wszystkie inne grzejniki w dalszej części łańcucha automatycznie otrzymają większą objętość chłodziwa i będą wymagały dodatkowej kalibracji. Każdy rodzaj okablowania ma swoje własne zasady równoważenia.

Systemy oprogramowania do obliczeń

Oczywiście obliczenia ręczne są uzasadnione tylko w przypadku małych systemów grzewczych z maksymalnie jednym lub dwoma obwodami z 4-5 grzejnikami w każdym. Bardziej złożone systemy grzewcze o mocy cieplnej powyżej 30 kW wymagają zintegrowanego podejścia do obliczeń hydrauliki, co rozszerza zakres stosowanych narzędzi daleko poza ołówek i kartkę papieru.

Obliczenia hydrauliczne systemu grzewczegoDanfoss C.O. 3.8

Obecnie istnieje dość duża liczba oprogramowania dostarczanego przez największych producentów urządzeń grzewczych, takich jak Valtec, Danfoss czy Herz. W takich pakietach oprogramowania do obliczania zachowania hydrauliki stosowana jest ta sama metodologia, która została opisana w naszej recenzji. Najpierw w edytorze wizualnym modelowana jest dokładna kopia projektowanego systemu grzewczego, dla której wskazane są dane dotyczące mocy cieplnej, rodzaju nośnika ciepła, długości i wysokości spadów rur, zastosowanych kształtek, grzejników i wężownic ogrzewania podłogowego. Biblioteka programów zawiera szeroką gamę urządzeń i armatury hydraulicznej; dla każdego produktu producent określił z góry parametry pracy i współczynniki bazowe. W razie potrzeby można dodać próbki urządzeń innych firm, jeśli znana jest im wymagana lista cech.

Obliczenia hydrauliczne systemu grzewczego

Po zakończeniu pracy program umożliwia określenie odpowiedniego nominalnego otworu rury, dobór odpowiedniego przepływu i ciśnienia pomp obiegowych. Obliczenia kończą się zbilansowaniem układu, podczas gdy podczas symulacji pracy hydrauliki brane są pod uwagę zależności i wpływ zmian przepustowości jednej jednostki układu na wszystkie pozostałe. Praktyka pokazuje, że tworzenie i użytkowanie nawet płatnego oprogramowania jest tańsze, niż gdyby obliczenia zostały powierzone zakontraktowanym specjalistom.

Oceń artykuł
Codzienne wskazówki i instrukcje

Klikając przycisk „Prześlij komentarz” wyrażam zgodę na przetwarzanie danych osobowych i akceptuję politykę prywatności