Расчет трубопроводов системы отопления

1. Характеристика системы водяного отопления

Система водяного отопления представляет собой замкнутую систему, в которой находится котел, который выполняет функцию генератора тепла, трубопроводная система и батареи, с помощью которых происходит передача тепла в помещение. По этой системе в постоянном режиме циркулирует жидкий теплоноситель (вода, или антифриз на водяной основе). Топливом для генератора тепла может быть уголь, дрова, керосин или природный газ, электричество.

В системах водяного отопления циркулирующая нагретая вода охлаждается в отопительных приборах и возвращается в отопительную установку для последующего нагревания.

По способу создания циркуляции теплоносителя различают системы с естественной циркуляцией воды (гравитационные системы) и с механическим побуждением воды насосами (насосные системы).

В гравитационной системе используют различие в плотности воды, нагретой до разной температуры. В вертикальной системе с неоднородной плотностью воды возникает естественное движение под влиянием гравитационного поля Земли (рис. 1).

схема возникновения циркуляционного напора

Рис. 1. Графическая схема возникновения циркуляционного напора

Системы водяного отопления по положению труб, объединяющих отопительные приборы по вертикали или горизонтали, подразделяют на вертикальные и горизонтальные.

Теплопроводы вертикальных систем подразделяют на магистрали, стояки и подводки: подающие – для подачи горячей воды к отопительным приборам и обратные – для отведения охлажденной воды к теплообменникам. Теплопроводы горизонтальных систем, кроме магистральных, стояков и подводок, имеют горизонтальные ветви, объединяющие отопительные приборы, расположенные на одном уровне.

В зависимости от схемы соединения труб с отопительными приборами системы отопления подразделяют на однотрубные, двухтрубные.

В каждом стояке или горизонтальной ветви однотрубной системы приборы соединяют одной трубой, и вода протекает последовательно через все приборы. В двухтрубной системе отопительные приборы присоединяют отдельными трубами к двум трубопроводам – подающему и обратному, при этом вода протекает через каждый прибор независимо от других приборов.

2. Схемы водяного отопления с естественной циркуляцией теплоносителя

Наибольшее распространение в сельских жилых домах получило отопление с естественной циркуляцией жидкости.

В этой системе, так же как во всех других системах отопления сельских одноквартирных жилых домов, работающих с естественным побуждением, желательно котел располагать ниже отопительных приборов, так как при этом увеличивается циркуляционное давление в системе и уменьшается сечение трубопроводов (рис. 2).

Двухтрубная система отопления с верхней разводкой

Рис. 2. Двухтрубная система отопления с верхней разводкой1 – отопительный котел; 2 – главный (подающий) стояк; 3 – расширительный бак; 4 – разводящая линия системы отопления; 5 – отопительный прибор; 6 – обратная линия системы отопления; 7 – регулировочный кран

Если котел нельзя установить ниже отопительных приборов, то его можно поместить на одном уровне с ними и даже несколько выше. В этом случае вода в системе будет циркулировать вследствие охлаждения ее в трубопроводах. При расположении отопительных приборов выше котла появится дополнительное циркуляционное давление, зависящее от высоты их расположения. Таким образом, охлаждение воды в трубопроводах системы отопления, находящихся выше котла, способствует улучшению циркуляции воды.

Горячий и обратный трубопроводы прокладывают с уклоном не менее 0,003 по движению воды в нем (для подающих трубопроводов – от источника теплоты к отопительным приборам, а для обратных – от отопительных приборов к источнику теплоты). Это обеспечивает свободный выход воздуха через расширительный сосуд и слив воды из системы через сливной патрубок, расположенный в нижней точке системы.

Прокладка обратного трубопровода (см. рис. 2) над полом помещения, особенно при расположении отопительных приборов у наружных стен, не всегда возможна. Для обхода трубопроводом дверей приходится заглублять его под пол и устраивать подпольные каналы, что особенно нежелательно, когда система оборудуется в готовом доме. Поэтому, как правило, применяют другую схему – с прокладкой обратного трубопровода рядом с горячим под потолком помещения (рис. 3). Горячая вода в отопительные приборы поступает так же, как и по ранее рассмотренной системе.

Охлажденная вода от приборов поднимается по обратному стояку в сборный обратный трубопровод под потолком и по нему возвращается в котел. Однако такую схему нельзя рекомендовать к широкому применению во вновь строящихся домах из-за неустойчивости циркуляции в ней воды. Эта система имеет несколько циркуляционных колец, в которых обратная вода поднимается и сливается в верхнем обратном трубопроводе.

Прокладка обратного трубопровода рядом с горячим под потолком

Рис. 3. Прокладка обратного трубопровода рядом с горячим под потолком1 – отопительный котел; 2 – главный (подающий) стояк; 3 – расширительный бак; 4 – разводящая линия системы отопления; 5 – отопительный прибор; 6 – обратная линия системы отопления; 7 – регулировочный кран; 8 – воздушная петля

Система отопления с естественной циркуляцией воды по сравнению с насосной системой имеет следующие недостатки:

  1. сокращен радиус действия (до 20 м по горизонтали) из-за небольшого циркуляционного давления;
  2. повышена первоначальная стоимость в связи с применением труб увеличенного диаметра;
  3. увеличены расходы металла;
  4. замедленное включение системы в действие;
  5. повышена опасность замерзания воды в трубах, проложенных в неотапливаемом помещении.

Вместе с тем имеются преимущества, предопределяющие в отдельных случаях ее выбор:

  1. простота устройства и эксплуатации;
  2. независимость действия от снабжения электрической энергией;
  3. долговечность (35–40 лет и более без капитального ремонта;
  4. саморегулирование, обусловливающее равную температуру помещений;
  5. тепловая устойчивость.

3. Гидравлический расчет системы отопления с естественной циркуляцией воды

Задача гидравлического расчета трубопроводов системы отопления – выбор таких сечений трубопроводов для наиболее протяженного и нагруженного циркуляционного кольца или ветви системы, по которым при располагаемом перепаде давлений в системе обеспечивается пропуск заданных расходов теплоносителя. Располагаемый перепад давлений выражает ту энергию, которая при движении жидкости по трубам может быть израсходована на преодоление сопротивления трения и местных сопротивлений.

Чтобы обеспечить надежную циркуляцию теплоносителя в системе отопления, выполняют гидравлический расчет, в результате которого определяют диаметры трубопроводов. Для этого вычерчивают схему прокладки трубопроводов (подающего и обратного) системы отопления, на которой показаны стояки, приборы. Уклоны графически не указывают, а обозначают стрелками, направленными в соответствующую сторону.

После того как схема вычерчена, устанавливают центр нагрева воды в котле (на 150 мм выше колосниковой решетки) и центр охлаждения воды в отопительных приборах (посередине прибора). Затем определяют, находится ли центр воды ниже центра ее охлаждения или наоборот, и измеряют расстояние по вертикали между указанными центрами, а также от центра нагрева воды в котле и отопительных приборах до горячего разводящего трубопровода, считая его условно проходящим на одном уровне.

Расчет системы начинают, как правило, с нумерации участков и определения их длины и тепловой загрузки. При нумерации участков надо иметь в виду, что стояки и подводки к отопительным приборам следует выделять как отдельные участки.

Затем следует выбрать основное расчетное циркуляционное кольцо. Каждое циркуляционное кольцо системы отопления представляет собой замкнутый контур последовательных участков, начиная от выхода из отопительного котла и заканчивая входом в отопительный котел.

В качестве основного расчетного циркуляционного кольца принимают:

  1. в системах с попутным движением теплоносителя в магистралях для двухтрубных систем – кольцо через отопительный прибор наиболее нагруженного стояка. Затем выполняется расчет циркуляционных колец через крайние стояки (ближний и дальний);
  2. в системах с тупиковым движением теплоносителя в магистралях для двухтрубных систем – кольцо через отопительный прибор наиболее удаленного стояка. Затем выполняется расчет остальных циркуляционных колец.

Подбор диаметров труб на расчетных участках и определение потерь давления в циркуляционном кольце производится по изначально заданной величине располагаемого давления для системы отопления. В этом случае диаметры участков подбираются по ориентировочной величине удельных потерь давления Rср (методом удельных потерь давления).

В качестве исходного параметра гидравлического расчета необходимо определить величину располагаемого циркуляционного перепада давления ∆PР, Па, которая в системах естественной циркуляцией равна:

(1)

где Ре – естественное циркуляционное давление, возникающее вследствие охлаждения воды в отопительных приборах и трубах циркуляционного кольца, Па.

Естественное циркуляционное давление Ре, Па, определяется по формуле

(2)

где в′ – безразмерный коэффициент (для всех неизолированных трубопроводов или одного изолированного главного стояка равен 0,4);

hг – высота расположения горячего разводящего трубопровода над центром нагрева воды в котле, м;

L′ – горизонтальное расстояние от данного вертикального стояка до главного, м;

h1 – расстояние по вертикали от центра нагрева воды в котле до середины нагревательного прибора, м (со знаком «плюс», если середина прибора выше центра нагрева воды в котле, и со знаком «минус», если середина прибора ниже центра нагрева);

ρо, ρг – разность плотностей воды, соответствующих расчетным температурам горячей tг и охлажденной tо воды в системе отопления (табл. 1), кг/м3;

g – ускорение свободного падения.

Таблица 1. Плотность воды (кг/м3) при ее температуре в пределах от 40 до 99 °С

Градусы 40 50 60 70 80 90
0 992,2 988,0 983,2 977,8 971,8 965,3
1 991,8 987,6 982,7 977,2 971,2 964,7
2 991,4 987,1 982,2 976,6 970,5 964,0
3 991,1 986,7 981,6 976,0 969,9 963,3
4 990,6 986,2 981,1 975,5 969,3 962,6
5 990,2 985,7 980,6 974,8 963,6 961,9
6 989,8 985,2 980,0 974,3 968,0 961,2
7 989,4 984,7 979,5 973,7 967,3 960,5
8 988,9 984,2 978,9 973,0 966,7 959,8
9 988,5 983,7 978,4 972,4 966,0 959,0

Первое произведение в формуле (2) отражает циркуляционное давление, получающееся вследствие охлаждения воды в трубопроводах, второе – давление, обусловленное разницей в высоте расположения котла и прибора. Каждое циркуляционное кольцо в системе имеет свое давление.

Средние удельные потери давления (Rср, Па) на трение определяются по следующей формуле:

где (1 – k) – коэффициент, учитывающий долю потерь давления на трение (для водяного отопления с естественной циркуляцией воды (независимо от протяженности по вертикали и горизонтали) (1 – k) = 0,5);

Li – длина циркуляционного кольца, м.

Количество циркуляционной воды для каждого участка определяют по формуле:

Расчет сводится в табл. 2.

Таблица 2. Гидравлический расчет системы отопления

Номер участка Нагрузка

на участке

Длина участка Li, м Диаметр d, мм Расчетные данные
Тепловые нагрузки Qуч, Вт Количество воды на участке Gуч, кг/ч Скорость v, м/с Потери давления на трение Ri, Па Потери давления на трение на всем участке Ri Li, Па Сумма коэффициентов местных сопротивлений Σξ Потери давления на местные сопротивления zi, Па Общие потери давления на участке Ri li + zi, Па
По схеме гидравлического кольца системы отопления По значению Rср по табл. 3 По табл. 4 По табл. 5

Таблица 3. Таблица для гидравлического расчета трубопроводов водяного отопления при перепадах температуры воды в системе 95–70 °С и Аш = 0,2 мм

Потери давления на трение на 1 м R, Па Количество проходящей воды (верхняя строка), кг/ч,

и скорость движения воды (нижняя строка), м/с,

по трубам стальным водогазопроводным обыкновенным

(ГОСТ 3262–75) условным проходом, мм

15 20 25 32 40 50
0,55 5,5

0,008

18,7

0,015

50,7

0,025

121

0,034

159

0,034

288

0,037

0,6 6,0

0,009

20,4

0,016

55,3

0,027

124

0,035

168

0,036

303

0,039

0,65 6,5

0,009

22,1

0,018

59,9

0,029

127

0,036

172

0,037

317

0,041

0,7 7,0

0,01

23,8

0,019

64,5

0,032

131

0,037

173

0,037

329

0,042

0,75 7,5

0,011

25,5

0,02

69,1

0,034

133

0,037

176

0,038

342

0,044

0,8 8,0

0,012

27,2

0,022

75,9

0,037

135

0,038

177

0,038

355

0,046

0,85 8,5

0,012

28,9

0,023

75,9

0,037

136

0,038

182

0,039

368

0,047

0,9 9,0

0,013

3,06

0,024

77,9

0,038

140

0,039

188

0,040

380

0,049

0,95 9,5

0,014

32,3

0,026

80,0

0,039

143

0,040

194

0,041

392

0,050

1,0 10,0

0,015

34,0

0,027

82,0

0,040

147

0,041

199

0,043

403

0,052

1,1 11,0

0,016

37,4

0,030

84,0

0,041

150

0,042

211

0,045

426

0,055

1,2 12,0

0,017

40,8

0,033

86,1

0,042

154

0,043

222

0,047

445

0,057

1,3 13,0

0,019

44,2

0,035

88,1

0,043

161

0,045

231

0,049

466

0,060

1,4 14,0

0,020

47,6

0,038

90,2

0,044

167

0,047

241

0,052

486

0,062

1,5 15,0

0,022

51,0

0,041

92,2

0,045

174

0,049

250

0,054

505

0,065

1,6 16,0

0,023

54,4

0,044

94,2

0,046

180

0,050

260

0,056

523

0,067

1,7 17,0

0,025

57,2

0,046

96,3

0,047

186

0,052

268

0,057

541

0,069

1,8 18,0

0,026

58,4

0,047

98,3

0,048

193

0,054

277

0,059

559

0,072

1,9 19,0

0,028

59,7

0,048

100

0,049

199

0,055

286

0,061

576

0,074

2,0 20,0

0,029

60,9

0,049

102

0,050

204

0,057

294

0,063

592

0,076

2,2 22,0

0,032

62,2

0,050

103

0,050

216

0,06

311

0,067

623

0,080

2,4 24,0

0,035

64,7

0,052

105

0,051

226

0,063

325

0,070

654

0,084

2,6 26,0

0,038

65,9

0,053

110

0,054

236

0,066

340

0,073

683

0,088

2,8 28,0

0,041

67,2

0,054

114

0,056

246

0,069

354

0,076

712

0,091

3,0 30,0

0,044

69,7

0,056

118

0,058

256

0,071

368

0,079

739

0,095

3,2 31,9

0,047

70,9

0,057

123

0,060

265

0,074

381

0,082

766

0,098

3,4 33,9

0,050

72,1

0,058

127

0,062

274

0,077

394

0,084

792

0,101

3,6 35,9

0,052

73,4

0,059

131

0,064

283

0,079

407

0,087

817

0,105

3,8 37,9

0,056

74,6

0,060

135

0,066

292

0,082

419

0,090

842

0,108

4,0 39,2

0,057

75,9

0,061

139

0,068

300

0,084

431

0,092

865

0,111

4,5 41,2

0,060

77,1

0,062

149

0,073

321

0,90

461

0,099

920

0,118

5,0 43,3

0,063

80,3

0,064

158

0,077

339

0,095

486

0,104

974

0,125

5,5 44,6

0,065

84,8

0,068

166

0,081

357

0,100

512

0,110

1026

0,131

6,0 46,0

0,067

88,6

0,071

174

0,085

374

0,105

537

0,115

1076

0,138

6,5 47,4

0,069

92,7

0,074

182

0,089

391

0,109

561

0,120

1123

0,144

7,0 48,8

0,071

96,6

0,077

189

0,093

408

0,114

584

0,125

1169

0,150

7,5 49,4

0,072

100

0,080

198

0,097

423

0,118

607

0,130

1214

0,155

8,0 50,8

0,074

104

0,083

204

0,100

438

0,122

628

0,135

1256

0,161

8,5 52,2

0,076

108

0,086

211

0,103

453

0,127

649

0,139

1298

0,166

9,0 52,9

0,077

111

0,089

218

0,107

467

0,130

670

0,143

1338

0,171

9,5 54,2

0,079

114

0,092

224

0,110

481

0,134

689

0,148

1378

0,176

10,0 54,9

0,080

118

0,094

230

0,113

495

0,138

709

0,152

1416

0,181

11,0 55,5

0,080

124

0,099

242

0,119

520

0,145

745

0,159

1487

0,191

12,0 56,9

0,083

130

0,104

254

0,125

545

0,152

780

0,167

1558

0,200

13,0 59,5

0,087

136

0,109

265

0,130

569

0,159

815

0,174

1626

0,280

14,0 62,1

0,091

142

0,113

276

0,135

592

0,165

848

0,182

1691

0,217

15,0 64,5

0,094

147

0,118

287

0,141

615

0,172

880

0,188

1754

0,225

16,0 66,8

0,098

152

0,122

297

0,146

636

0,178

910

0,195

1815

0,233

17,0 69,1

0,101

157

0,126

307

0,150

657

0,184

940

0,201

1875

0,240

18,0 71,3

0,104

162

0,130

317

0,155

678

0,189

969

0,208

1932

0,248

19,0 73,5

0,107

167

0,134

326

0,160

698

0,195

998

0,214

1988

0,255

20,0 75,6

0,110

172

0,138

335

0,167

717

0,200

1025

0,219

2042

0,262

22,0 79,5

0,116

181

0,145

352

0,173

753

0,210

1077

0,231

2145

0,275

24,0 83,4

0,122

189

0,152

369

0,181

789

0,220

1128

0,241

2246

0,288

26,0 87,1

0,127

198

0,158

385

0,189

832

0,230

1176

0,252

2342

0,300

28,0 90,7

0,132

206

0,165

401

0196

856

0,239

1224

0,262

2435

0,312

30,0 94,2

0,138

214

0,171

416

0,204

888

0,248

1269

0,272

2525

0,323

32,0 97,6

0,142

221

0,177

430

0,211

919

0,257

1313

0,281

2611

0,335

34,0 101

0,147

228

0,183

444

0,218

948

0,265

1355

0,290

2695

0,345

36,0 104

0,152

236

0,189

458

0,225

978

0,273

1396

0,299

2777

0,356

38,0 107

0,156

243

0,194

472

0,231

1006

0,281

1437

0,308

2856

0,366

40,0 110

0,161

249

0,200

484

0,237

1033

0,289

1476

0,316

2934

0,376

Таблица 4. Коэффициент местных сопротивлений ξ для стальных трубопроводов

Местное сопротивление Коэффициент ξ при условном диаметре
15 20 25 32 40 50 и более
Тройники: проходные поворотные на ответвление на противотоке 1

1,5

3

1

1,5

3

1

1,5

3

1

1,5

3

1

1,5

3

1

1,5

3

Крестовины: проходные поворотные 2

3

2

3

2

3

2

3

2

3

2

3

Вентили:
обыкновенные 19,9 12,4 10,4 9,4 8,4 7,4
прямоточные 3 3 3 2,5 2,5 2
Отвод гнутый под углом 90° 0,8 0,6 0,5 0,5 0,4 0,3
Кран регулирующий трехходовой:
при проходе 3,5 3
на повороте 4,5 3
Кран регулирующий проходной 3,5 3
Кран двойной регулировки 4 2 2 2
Отступ под углом 45° 0,8 0,7 0,6 0,6 0,6 0,6
Внезапное изменение сечения:
расширение 1,0
сужение 0,5
Радиаторы чугунные секционные 2,0
Котел стальной 2,0
Котел чугунный 2,5

Таблица 5. Потери давления zi (кг/м2) в местных сопротивлениях при расчете трубопроводов водяных систем отопления (при ρ = 961,9 кг/м3; tг = 95 °С)

Скорость воды, м/с Суммарные коэффициенты местных сопротивлений Σξ
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
0,025 0,031 0,063 0,094 0,125 0,157 0,188 0,219 0,251 0,282 0,313
0,030 0,045 0,090 0,135 0,180 0,226 0,271 0,316 0,361 0,406 0,451
0,035 0,061 0,123 0,184 0,246 0,307 0,368 0,430 0,491 0,553 0,614
0,040 0,080 0,160 0,241 0,321 0,40I 0,481 0,561 0,642 0,722 0,802
0,045 0,102 0,203 0,304 0,406 0,507 0,609 0,710 0,812 0,913 1,015
0,050 0,125 0,251 0,376 0,501 0,626 0,752 0,877 1,002 1,128 1,253
0,055 0,15 0,30 0,45 0,61 0,76 0,91 1,06 1,21 1,36 1,52
0,060 0,18 0,36 0,54 0,72 0,90 1,08 1,26 1,44 1,62 1,80
0,065 0,21 0,42 0,64 0,85 1,06 1,27 1,48 1,69 1,91 2,12
0,070 0,25 0,49 0,74 0,98 1,23 1,47 1,72 1,96 2,21 2,46
0,075 0,28 0,56 0,85 1,13 1,41 1,69 1,97 2,26 2,54 2,82
0,080 0,32 0,64 0,96 1,28 1,60 1,92 2,25 2,57 2,89 3,21
0,085 0,36 0,72 1,09 1,45 1,81 2,17 2,53 2,90 3,26 3,62
0,090 0,41 0,81 1,22 1,62 2,03 2,44 2,84 3,25 3,65 4,06
0,095 0,45 0,90 1,36 1,81 2,26 2,71 3,17 3,62 4,07 4,52
0,100 0,50 1,00 1,50 2,00 2,51 3,01 3,51 4,01 4,51 5,01
0,105 0,55 1,11 1,66 2,21 2,76 3,32 3,87 4,42 4,97 5,53
0,110 0,61 1,2I 1,82 2,43 3,03 3,64 4,24 4,85 5,46 6,06
0,115 0,66 1,33 1,99 2,65 3,31 3,98 4,64 5,30 5,96 6,63
0,120 0,72 1,44 2,16 2,89 3,51 4,33 5,05 5,77 6,49 7,22
0,125 0,78 1,57 2,35 3,13 3,92 4,70 5,48 6,26 7,05 7,84
0,130 0,85 1,69 2,54 3,39 4,23 5,08 5,93 6,78 7,62 8,47
0,135 0,91 1,83 2,74 3,65 4,57 5,48 6,39 7,31 8,22 9,13
0,140 0,98 1,96 2,95 3,93 4,91 5,89 6,88 7,86 8,84 9,82
0,145 1,05 2,11 3,16 4,21 5,27 6,32 7,38 8,43 9,48 10,54
0,150 1,13 2,26 3,38 4,51 5,64 6,77 7,89 9,02 10,15 11,20
0,155 1,20 2,41 3,61 4,82 6,02 7,22 8,43 9,63 10,84 12,04
0,160 1,28 2,57 3,58 5,13 6,41 7,70 8,98 10,26 11,55 12,83
0,163 1,36 2,73 1,09 5,46 6,82 8,19 9,55 10,92 12,28 13,64
0,170 1,45 2,90 4,34 5,79 7,24 8,69 10,14 11,59 13,03 14,48
0,175 1,53 3,07 4,60 6,14 7.67 9,21 10,7 12,3 13,8 15,3
0,180 1,62 3,25 4,87 6,49 8,12 9,74 11,4 13,0 14,6 16,2
0,185 1,72 3,43 5,15 6,86 8,58 10,3 12,0 13,7 15,4 17,2
0,190 1,81 3,62 5,43 7,24 9,05 10,9 12,7 14,5 16,3 18,1
0,195 1,91 3,81 5,72 7,62 9,53 11,4 13,3 15,2 17,2 19,1
0,200 2,00 4,01 6,01 8,02 10,0 12,0 14,0 16,0 18,0 20,0
0,205 2,1 4,2 6,3 8,4 10,5 12,6 14,7 16,8 19,0 21,1
0,210 2,2 4,4 6,6 8,8 11,1 13,3 15,5 17,7 19,9 22,1
0,215 2,3 4,6 6,9 9,3 11,6 13,9 16,2 18,5 20,8 23,2
0,220 2,4 4,9 7,3 9,7 12,1 14,6 17,0 19,4 21,8 24,3
0,225 2,5 5,1 7,6 10,1 12,7 15,2 17,8 20,3 22,8 25,4
0,230 2,7 5,3 8,0 10,6 13,3 15,9 18,6 21,2 23,9 26,5
0,235 2,8 5,5 8,3 11,1 13,8 16,6 19,4 22,1 24,9 27,7
0,240 2,9 5,8 8,7 11,5 14,4 17,3 20,2 23,1 26,0 28,9
0,245 3,0 6,0 9,0 12,0 15,0 18,0 21,1 24,1 27,1 30,1
0,250 3,1 6,3 9,4 12,5 15,7 18,8 21,9 25,1 28,2 31,3
0,255 3,3 6,5 9,8 13,0 16,3 19,6 22,8 26,1 29,3 32,6
0,260 3,4 6,8 10,2 13,6 16,9 20,3 23,7 27,1 30,5 33,9
0,265 3,5 7,0 10,6 14,1 17,6 21,1 24,6 28,2 31,7 35,2
0,270 3,7 7,3 11,0 14,6 18,3 21,9 26,6 29,2 32,9 36,5
0,275 3,8 7,6 11,4 15,2 18,9 22,7 26,5 30,3 34,1 37,9
0,280 3,9 7,9 11,8 15,7 19,6 23,6 27,5 31,4 35,4 39,3
0,285 4,1 8,1 12,2 16,3 20,4 24,4 28,5 32,6 36,6 40,7
0,290 4,2 8,4 I2,6 16,9 21,1 25,3 29,5 33,7 37,9 42,1
0,305 4,7 9,3 14,0 18,6 23,3 28,0 32,6 37,3 42,0 46,6
0,310 4,8 9,6 14,4 19,3 24,1 28,9 33,7 38,5 43,3 48,2
0,315 5,0 9,9 14,9 19,9 24,9 29,8 34,8 39,8 44,8 49,7
0,320 5,1 10,3 15,4 20,5 25,7 30,8 35,9 41,1 46,2 51,3
0,325 5,3 10,6 15,9 21,2 26,5 31,8 37,1 42,3 47,6 52,9
0,330 5,5 10,9 16,4 21,8 27,3 32,7 38,2 43,7 49,1 54,6
0,335 5,6 11,2 16,9 22,5 28,1 33,7 39,4 45,0 50,6 56,2
0,340 5,8 11,6 17,4 23,2 29,0 34,8 40,6 46,3 52,1 57,9
0,345 6,0 11,9 17,9 23,9 29,8 35,8 41,8 47,7 53,7 59,6
0,350 6,1 12,3 18,4 24,6 30,7 36,8 43,0 49,1 55,3 61,4
0,355 6,3 12,6 18,9 25,3 31,6 37,9 44,2 50,5 56,8 63,2
0,360 6,5 13,0 19,5 26,0 32,5 39,0 45,5 52,0 58,5 65,0
0,365 6,7 13,4 20,0 26,7 33,4 40,1 46,7 53,4 60,1 66,8
0,370 6,9 13,7 20,6 27,4 34,3 41,2 48,0 54,9 61,7 68,6
0,375 7,0 14,1 21,1 28,2 35,2 42,3 49,3 56,4 63,4 70,5
0,380 7,2 14,5 21,7 28,9 36,2 43,4 50,7 57,9 65,1 72,4
0,385 7,4 14,9 22,3 29,7 37,1 44,6 52,0 59,4 66,9 74,3
0,390 7,6 15,2 22,9 30,5 38,1 45,7 53,4 61,0 68,6 76,2
0,395 7,8 15,6 23,5 31,3 39,1 46,9 54,4 62,6 70,4 78,2
0,400 8,0 16,0 24,1 32,1 40,1 48,1 56,1 64,1 72,2 80,2
0,405 8,2 16,4 24,7 32,9 41,1 49,3 57,5 65,8 74,0 82,2
0,410 8,4 16,8 25,3 33,7 42,1 50,5 59,0 67,4 75,8 84,2
0,415 8,6 17,3 25,9 34,5 43,2 51,8 60,4 69,0 77,7 86,3
0,420 8,8 17,7 26,5 35,4 44,2 53,0 61,9 70,7 79,6 88,4
0,425 9,1 18,1 27,2 36,2 45,3 54,3 63,4 72,4 81,5 90,5
0,430 9,3 18,5 27,8 37,1 46,3 55,6 64,9 74,1 83,4 92,7
0,435 9,5 19,0 28,4 37,9 47,4 56,9 66,4 75,6 85,3 94,8
0,440 9,7 19,4 29,1 38,8 48,5 58,2 67,9 77,9 87,3 97,0
0,445 9,9 19,8 29,8 39,7 49,6 59,5 69,5 79,4 89,3 99,2
0,450 10,1 20,3 30,4 40,6 50,7 60,9 71,0 81,2 92,3 101,5
0,455 10,4 20,8 31,1 41,5 51,9 62,3 72,6 83,0 93,4 103,8
0,460 10,6 21,2 32,2 42,4 53,0 63,6 74,2 84,8 95,4 106,0
0,465 10,8 21,7 32,5 43,3 54,2 65,0 75,9 86,7 97,5 108,4
0,470 11,1 22,1 33,2 44,3 55,4 66,4 77,5 88,6 99,6 110,7
0,475 11,3 22,6 33,9 45,2 56,2 67,8 79,1 90,5 101,8 113,1
0,480 11,5 23,1 34,6 46,2 57,7 69,3 80,8 92,4 103,9 115,5
0,485 11,8 23,6 35,4 47,2 58,9 70,7 82,5 94,3 106,1 117,9
0,490 12,0 24,1 36,1 48,1 60,2 72,2 84,2 96,2 108,3 120,3
0,495 12,3 24,6 36,8 49,1 61,4 73,7 86,0 98,2 110,5 122,8
0,500 12,5 25,1 37,6 50,1 62,6 75,2 87,7 100,2 112,8 125,3

В табл. 6 приведены графические условные обозначения на схеме теплоснабжения.

Таблица 6. Некоторые графические условные обозначения на схеме теплоснабжения

Наименование Обозначение
Варианты обозначения теплопроводов с нанесением его диаметров
Обозначения теплопроводов с нанесением диаметров

труб при плотном графическом исполнении чертежа

Направление движения жидкости
Местоположение изменения диаметра трубопровода
Обозначение направления и величины уклона

трубопровода относительно горизонта

Обозначение на плане подъема или опуска

(по направлению движения теплоносителя) теплопровода

Обозначение радиатора на плане, на схеме

Клапан предохранительный
Кран шаровой или пробковый
Вентиль
Задвижка

После предварительного подбора диаметров трубопровода переходят к его тепловому расчету, определяя последовательно по участкам от котла по ходу воды тепловыделения трубопроводом и температуры воды. Данные сводят в табл. 7.

Таблица 7. Тепловой расчет трубопровода

Номер участка Gуч, кг/ч Li, м d, мм Температура воды

в начале участка tнач i, °C

tв,

°C

tнач i tв,

°С

q‘, Вт/м Тепловыделения трубопроводом qтр, Вт Понижение температуры воды

∆ti, °С

Температура воды

в конце участка

tкон i, °С

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
По

табл. 8

Подсчет начинают с участка, температура которого известна (95 °С) (см. графу 5 табл. 7).

Для заполнения графы 10 табл. 7 используют формулу остывания воды на участке трубопровода:

(4)

где qтр – теплоотдача трубопроводом, Вт;

Gуч – количество воды, которое проходит по участку, кг/ч.

Для заполнения графы 11 используют формулу определения температуры воды в конце участка:

(5)

где tнач i – температура воды в начале участка.

Действительное значение гравитационного давления Pд, Па, определяем по формуле при средних значениях плотности воды:

(6)

где hст, hпр – высота соответственно стояка, по которому вода движется вниз, и отопительного прибора, м;

ρст, ρп – плотность воды соответственно в этом стояке и выходящей из котла, кг/м3;

ρп. пр, ρо. пр – плотность воды, соответственно входящей в отопительный прибор и выходящей из него, кг/м3;

∆h – вертикальное расстояние между центрами нагрева воды в котле и охлаждения в приборе (принимается посередине прибора).

Полученное действительное циркуляционное давление сравнивают с потерями давления в расчетном кольце трубопровода.

Если действительное давление отличается от потерь на 0–15 %, то трубопровод оставляют без изменения согласно предварительному расчету. Если расхождение составляет от 15 до 30 %, то ограничиваются изменением диаметров с тем, чтобы потери в трубопроводе составляли от 85 до 100 % циркуляционного давления, определенного по тепловому расчету. В этом случае повторного теплового расчета не требуется. При больших расхождениях между действительным давлением и потерями в системе проводят полный перерасчет системы.

Таблица 8. Теплопотери в окружающую среду (Вт) на 1 м q‘ неизолированных труб, наполненных водой, при разности температур теплоносителя и окружающего воздуха

Разность температуры

tнач i tв, °С

Условный диаметр труб стальных водогазопроводных, мм
15 20 25 32 40 50
42 36,0 45,3 57,0 72,1 76,8 88,4
46 39,5 50,0 62,8 79,1 83,7 96,5
50 44,2 57,0 70,9 89,6 96,5 110,5
54 47,7 61,6 75,6 97,7 104,7 118,6
58 51,2 65,1 82,6 104,7 112,8 126,8
62 57,0 73,3 91,9 116,3 124,4 143,0
66 61,6 77,9 96,5 123,8 133,7 152,4
70 67,5 86,1 108,2 137,2 147,7 161,7
74 72,1 90,7 114,0 145,4 157,0 170,9
78 75,6 95,4 121,0 152,4 165,1 180,3
82 79,1 101,2 126,8 160,5 170,9 189,6
86 83,7 105,8 132,8 169,8 182,6 198,9
90 96,5 123,3 155,8 197,7 207,0 234,9

4. Гидравлический расчет системы отопления одноэтажного усадебного дома

Пример.

Исходные данные. Предварительно проводится теплотехнический расчет, расчет потерь теплоты, расчет отопительных приборов по вышеизложенным методикам.

Система отопления двухтрубная тупиковая с верхней разводкой с естественной циркуляцией теплоносителя. Котел твердотопливный «Мозырь КС-Т-16». Параметры котла представлены на рис. 4. Отопительные приборы – МС-140М.

Котел твердотопливный «Мозырь КС-Т-16»

Рис. 4. Котел твердотопливный «Мозырь КС-Т-16»

По результатам расчетов получены следующие данные:

  1. термическое сопротивление ограждающих конструкций отвечает требованиям ТКП 45-2.04-43–2006;
  2. потери тепла помещений, в которых устанавливаются отопительные приборы:
  • жилая комната 101 – 1 625,6 Вт;
  • кухня 102 – 1 346,7 Вт;
  • общая комната 103 – 1 973,3 Вт;
  • жилая комната 104 – 1 597,8 Вт.

Количество секций в помещениях: 101 – 11 шт., 102 – 9 шт., 103 – 13 шт., 104 – 11 шт.

На плане усадебного дома (рис. 5) показаны расположения стояков, приборов системы отопления и схема прокладки горячей линии.

План усадебного дома

Рис. 5. План усадебного дома

На рис. 6 представлена схема отопления дома с разбивкой на участки, определены длины участков трубопровода и тепловые нагрузки.

Уклон графически не показан, а лишь обозначен стрелками, направленными в соответствующую сторону.

Принято, что центр нагрева воды в котле (на 150 мм выше колосниковой решетки) и центр охлаждения воды в отопительных приборах (посередине прибора).

Схема для гидравлического расчета системы отопления

Рис. 6. Схема для гидравлического расчета системы отопления

Порядок расчета. Расчет трубопроводов следует начать с наиболее неблагоприятного циркуляционного кольца. Наиболее неблагоприятным циркуляционным кольцом следует считать при естественной циркуляции кольцо, у которого в зависимости от располагаемого давления значение Rср будет наименьшим. В данном примере одно циркуляционное кольцо.

Определяем предварительный расчетный перепад давления по формуле (2). По условиям прокладки труб принимаем коэффициент в‘ = 0,4.

Ориентировочное предварительное давление для кольца составит: через прибор № 4

через прибор № 3

через прибор № 2

через прибор № 1

Определение величин hг и h1, м, изображено на рис. 7.

Схемы для определения величин hг и h1

Рис. 7. Схемы для определения величин hг и h1

Первое произведение – циркуляционное давление, получаемое вследствие охлаждения воды в трубопроводах, второе – давление, обусловленное разницей в высоте расположения котла и прибора.

Проведенные расчеты показывают, что давление, получаемое вследствие охлаждения воды в трубопроводе, значительно больше дополнительного давления, которое получается в результате превышения центра охлаждения воды в приборе над центром нагрева воды в котле (для нашего случая 0,54 м).

Определяем средние удельные потери давления на трение по формуле (3):

через прибор № 4

через прибор № 3

через прибор № 2

через прибор № 1

По найденным значениям Rср рассчитываем диаметры трубопровода циркуляционного кольца. Результаты расчета сводим в табл. 9.

Расчет Σξ сводим в табл. 10.

Таблица 9. Результаты гидравлического расчета системы отопления при естественной циркуляции

Номер участка Нагрузка

на участке

Li, м d, мм Расчетные данные
Qуч, Вт Gуч, кг/ч v, м/с Ri, Па Ri Li, Па Σξ zi, Па Ri Li + zi, Па
1 6 543,4 225,1 4,13 40 0,084 3,4 14,04 12,8 43,44 57,48
2, прибор № 1 1 346,7 46,3 2,89 15 0,069 6,5 18,79 7,1 17,10 35,89
3 5 196,7 178,8 3,58 32 0,077 3,4 12,20 1,5 4,30 16,50
4, прибор № 2 1 625,6 55,9 2,89 20 0,064 5,0 14,45 6,2 12,50 26,95
5 3 571,1 122,8 11,7 25 0,062 3,4 39,78 2,5 4,62 44,40
6, прибор №3 1 597,8 55,0 2,89 20 0,058 3,4 9,83 6,2 10,25 20,08
7, прибор № 4 1 973,3 67,9 10,5 20 0,058 3,4 35,70 21,7 35,40 71,10
8 3 571,1 122,8 11,7 25 0,062 3,4 39,78 3,0 5,64 45,42
9 5 196,7 178,8 3,58 32 0,077 3,4 12,20 2,0 5,80 18,0
10 6 543,4 225,1 2,72 40 0,084 3,4 9,25 12,2 42,10 51,35
∑ 304,25Па

1 Па = 0,102 кг/м2.

Таблица 10. Расчет ∑ξ на участках гидравлического кольца

Номер

участка

Элемент системы Коэффициенты местных сопротивлений ξ ∑ξ

на участке

1 Котел стальной 2,0 12,8
Внезапное сужение 0,5
Тройник на ответвление 1,5
Вентиль обыкновенный 8,4
Отвод под углом 90° 0,4
2 Отвод под углом 90° 0,8 7,1
Кран регулирующий проходной 3,5
Радиатор чугунный секционный 2,0
Отвод под углом 90° 0,8
3 Тройник проходной 1,0 1,5
Внезапное сужение 0,5
4 Отвод под углом 90° 0,6 6,2
Кран регулирующий проходной 3,0
Радиатор чугунный секционный 2,0
Отвод под углом 90° 0,6
5 Тройник проходной 1,0 2,5
Отвод под углом 90° 0,5
Отвод под углом 90° 0,5
Внезапное сужение 0,5
6 Отвод под углом 90° 0,6 6,2
Кран регулирующий проходной 3,0
Радиатор чугунный секционный 2,0
Отвод под углом 90° 0,6
7 Тройник проходной 1,0 21,7
Отвод под углом 90° 0,6
Отвод под углом 90° 0,6
Вентиль обыкновенный 12,4
Радиатор чугунный секционный 2,0
Отвод под углом 90° 0,6
Отвод под углом 90° 0,6
Тройник проходной 1,0
Внезапное сужение 0,5
Внезапное расширение 1,0
Отступ 0,7
Отступ 0,7
8 Отвод под углом 90° 0,5 3,0
Отвод под углом 90° 0,5
Тройник проходной 1,0
Внезапное расширение 1,0
9 Тройник проходной 1,0 2,0
Внезапное расширение 1,0
10 Отвод под углом 90° 0,4 12,2
Отвод под углом 90° 0,4
Вентиль обыкновенный 8,4
Тройник проходной 1,0
Тройник проходной 1,0
Внезапное расширение 1,0

Когда ∑ξ превышает 10 и нет возможности воспользоваться данными табл. 5, значение zi, Па, определяют по формуле

(7)

где ∑ξ – суммарный коэффициент местных сопротивлений на участке;

v – скорость воды на участке, м/с;

ρ – плотность воды на участке, кг/м3.

Виды местных сопротивлений и участки, к которым они относятся, приведены в табл. 11.

Таблица 11. Виды местных сопротивлений

Наименование элемента системы

(вид местного сопротивления)

Обозначение участка,

к которому относится сопротивление

Тройник проходной
Тройник на ответвление потока
Тройник на противотоке
Крестовина проходная
Крестовина поворотная

Звездочкой (∗) отмечен участок, к которому следует отнести данное местное сопротивление.

В результате гидравлического расчета циркуляционного кольца делаем вывод о том, что запас по сравнению с определенным ориентировочно циркуляционным давлением ((323,7 – 304,25) : 323,7 ∙ 100 % = 6,0 %) является допустимым. Расчет трубопровода оставляем без изменения.

После предварительного подбора трубопровода переходим к его тепловому расчету, определяя последовательно по участкам от котла по ходу воды тепловыделения трубопроводом и температуру воды в начале и конце расчетных участков, а результаты сводим в табл. 12.

Таблица 12. Тепловой расчет трубопровода

Номер участка Gуч, кг/ч Li, м d, мм tнач i,

°C

tв,

°C

tнач i tв,

°С

q‘, Вт/м qтр, Вт ∆ti,

°С

tкон i,

°С

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
1 225,1 3,37 40 95 16 79 165,1 556,39 2,47 92,53
0,76 92,53 18 74,53 157,0 119,32 0,53 92,0
3 178,8 2,74 32 92,0 18 74 145,4 398,40 2,23 89,77
0,84 89,77 20 69,77 137,2 115,23 0,64 89,13
5 122,8 5,4 25 89,13 20 69,13 105,3 568,62 4,63 84,5
1,9 84,5 25 59,5 86,75 164,83 1,34 83,16
1,0 83,16 25 58,16 82,6 82,60 0,67 82,49
3,4 82,49 20 62,49 73,88 251,19 2,05 80,44
7 67,9 6,07 20 80,44 20 60,44 69,25 420,35 6,19 74,25
Прибор № 4 74,25 25 49,25
7 67,9 4,426 20 49,25 20 29,25 30,1 133,22 1,96 47,29
6 55,0 2,27 20 84,5 20 64,5 76,18 172,93 3,14 81,36
Прибор № 3 81,36 25 56,36
6 55,0 0,626 20 56,36 20 36,36 39,22 24,55 0,45 55,91
8 122,8 3,4 25 51,15 20 31,15 42,3 143,82 1,17 49,98
1,0 49,98 25 24,98 33,94 33,94 0,28 49,70
1,9 49,7 25 24,7 33,56 63,744 0,52 49,18
5,4 49,18 20 29,18 31,48 170,0 1,38 47,80
4 55,9 2,27 20 89,13 20 69,13 84,05 190,79 3,41 85,72
Прибор № 2 85,72 25 60,72
4 55,9 0,626 20 60,72 20 40,72 43,92 27,49 0,49 60,23
9 178,8 0,84 32 50,46 20 30,46 52,34 43,96 0,25 50,21
2,74 50,21 18 32,21 55,34 125,62 0,70 49,51
2 46,3 2,27 15 92,53 18 74,53 72,54 164,66 3,56 88,97
Прибор № 1 88,97 25 63,97
2 46,3 0,626 15 63,97 18 45,97 39,5 24,73 0,53 63,44
10 225,1 0,76 40 52,37 18 34,37 62,95 47,84 0,21 52,16
1,96 52,16 16 36,16 66,23 129,81 0,58 51,58
  1. Перепад температуры воды в начале главного стояка (участок № 1) и воздуха в помещении: tпtв = 95 – 16 = 79 °С и т. д. (графа 7 табл. 12).
  2. Для заполнения графы 8 используем вспомогательную табл. 8.
  3. Для заполнения графы 9 необходимо теплопотери q‘, Вт/м, умножить на длину трубопровода Li, м, соответствующего диаметра.
  4. Для заполнения графы 10 используем формулу (1.61).
  5. Для заполнения графы 11 используем формулу (1.62).
  6. Для определения температуры воды, выходящей из отопительного прибора, необходимо в графу 7 записать разность расчетной температуры системы отопления: tср = 95 – 70 = 25 °C.
  7. Температура воды в начале участка № 6 равна температуре воды в конце участка № 5: tнач 6 = tкон 5 = 84,5 °C.
  8. Для обратного трубопровода участка после смешивания воды получим температуру обратной воды tоб.

Температуру воды в начале участка № 8 определим из теплового баланса по участку № 7, в котором перемещается 67,9 кг/ч воды с конечной температурой tкон 7 = 47,29 °С, и по участку № 6, в котором перемещается 55,0 кг/ч с tкон 6 = 55,91 °С.

После смешивания в начале участка № 8 получим температуру воды

Аналогично для участков № 9 и № 10:

В результате всего расчета получим конечную температуру воды последнего участка tкон 10 = 51,58 °С.

Находим действительное давление для наиболее отдаленного прибора № 4:

средняя температура и плотность воды в стояке

температура воды и плотность воды, входящей в прибор № 4,

температура и плотность воды, выходящей из котла,

Тогда, пользуясь формулой (1.63), определяем

Получив действительное циркуляционное давление, сравниваем его с потерями давления в данном кольце трубопровода. Полученное расхождение ((359,36 – 304,25) : 359,36 ∙100 % = 15 %) находится в допустимых пределах.

5. Расчет теплопроизводительности котла

Требуемую теплопроизводительность котла Qсист определяют как сумму полезных и бесполезных потерь теплоты. Полезными потерями считаются теплота, идущая на покрытие теплопотерь помещения, и тепловыделения трубами, а к бесполезным относят теплоту, теряемую обратными трубопроводами, проложенными под полом помещения.

Для возмещения теплопотерь, учитывая, что в котел поступает обратная вода с температурой tкон i, °С, последнего участка, а уходит при tнач = 95 °С, количество циркулирующей в системе воды Gс, кг/ч, определяют по формуле

(8)

где β1 принимается по табл. 9; β2 – по табл. 10.

Допускается расхождение от +5 до –15 %:

где Gр – количество циркулирующей в системе воды, принятое при гидравлическом расчете трубопроводов.

Если количество циркулирующей воды превышает эти пределы, то следует перепад температуры воды в системе принять большим или меньшим и соответственно откорректировать все расчеты.