Гидравлический расчет трубопроводов

Гидравлический расчет трубопроводов рекомендуется выполнять наиболее прогрессивным методом с помощью характеристик сопротивления и переменных перепадов температур на стояках. Задача гидравлического расчета заключается в обоснованном выборе экономических диаметров труб для циркуляции теплоносителя с целью обеспечения расчетной теплоотдачи нагревательных приборов.

Применение указанного метода исключает необходимость последующей монтажной регулировки системы отопления, повышает индустриализацию заготовок приборных узлов и стояков. Результаты гидравлического расчета трубопроводов и теплового расчета нагревательных приборов более достоверно отражают действительную картину работы системы отопления, так как расчетные расходы теплоносителя соответствуют фактическим.

Гидравлический расчет проводится для системы водяного отопления: однотрубной, с верхней разводкой, тупиковой, с насосной циркуляцией и унифицированными приборными узлами. Нагревательные приборы – стальные панельные радиаторы подключены по проточно-регулируемой схеме с трехходовым краном. Расчетная схема системы отопления приведена в приложении 3.

Нормативный перепад температуры воды на стояках:

2.2.1 Расчет стояка (в дальнейшем «Ст.») 1 (участок 1).

По тепловой нагрузке стояка, равной суммарной теплопотере отапливаемых от него помещений Q₁=12941 Вт. По таблице 10 приложения 9 принимаем диаметр стояка d=20 мм. Конструируем радиаторные узлы: задаемся диаметром обводного участка и подводок равными диаметру стояка, то есть d_стxd_оуxd_подв=20 мм.

По таблице 11 приложения 9 [3] имеем:

A₁ =3,19*10^-4 Па/(кг/ч)²;

(λ/d)₁ = 1,7 1/м.

Определяем эквивалентный К.М.С. ξ_экв,1, прямых участков труб (без этажестояков) стояка 1:

1,7*16,3=27,71,

где l₁ – расчетная длина участка без этажестояков;

l₁ = 16,3 м.

Выявляем местное сопротивление на стояке по таблице 12 приложение 9 [3]; определяем их К.М.С.:

– воздухосборник проточный:

- 3 отвода d=20 мм: *3 = 1,8;

- 2 крана пробочных d=20 мм: *2 = 3.

Итого: 6,3.

На горизонтальных участках стояка (на подающей и на обратной магистралях) имеется 2 тройника на проходе воды. Гидравлические характеристики тройников:

- расход воды на проход:

кг/ч,

где с = 4,19 кДж/(кг·К) – теплоемкость воды;

3,6 кДж/(Вт·ч) – коэффициент перевода единиц;

- общий расход воды:

кг/ч,

где Q₂ – тепловая нагрузка стояка 2.

Соотношение расходов:

По таблице 13 приложения 9 имеем:

- для тройника на подающей магистрали ξ = 0,3;

- для тройника на обратной магистрали ξ = 1,5.

Итого: 1,8.

Суммарный К.М.С. участка 1 (без этажестояков):

1,8+6,3=8,1.

Приведенный К.М.С. участка 1:

27,71+8,1=35,81.

Характеристика сопротивления участка (без этажестояков):

3,19*10^-4*35,81=114,23*10^-4Па/(кг/ч)².

Определяем характеристику сопротивления этажестояка. Расчетный участок 1 включает в себя 9 этажестояков, приборные узлы которых имеют следующие характеристики:

1) тип нагревательного прибора – радиатор стальной панельный РСГ;

2) схема радиаторного узла – проточно-регулируемая с трехходовым краном;

3) конструкция радиаторного узла:

20 мм.

По таблице 14 приложения 9 [3] находим характеристику сопротивления стояка:

- девять этажестояков 9х42=378*10^-4 Па/(кг/ч)².

Итого: S₀=378*10^-4 Па/(кг/ч)².

Общая характеристика сопротивления участка 1:

114,23+378 =492,23*10^-4 Па/(кг/ч)².

Вычисляем расход воды на участке. Задаемся перепадом температур на стояке в пределах 30-40ºС. В результате предварительных расчетов выявлено, что наиболее приемлемый вариант обеспечивается при Dt₁= 38 ^ºС.

293 кг/ч.

Падение давления на стояке Ст.1 (участок 1):

492,23*10^-4*293²=4225,7 Па.

2.2.2 Расчет Ст. 2 (участок 2).

Перепад давлений на стояке известен Па. Тепловая нагрузка стояка Вт. По табл. 10 приложения 9 принимаем диаметр стояка мм. Конструируем радиаторные узлы: принимаем диаметры подводок и обводного участка равным диаметру стояка:

мм.

По табл. 14 приложения 9 находим характеристику сопротивления стояка:

- узел присоединения к подающей магистрали

-узел присоединения к обратной магистрали

- девять этажестояков

Итого:

Расход воды по стояку 2:

кг/ч.

Определяем перепад температур на стояке 2:

Полученный перепад выходит за допустимые пределы /30-40°С/. Необходимо уменьшить перепад, а, следовательно, увеличить расход воды на стояке.

Принимаем диаметр стояка и обвязки приборных узлов мм.

Характеристика сопротивления стояка 2 с увеличенным до 20 мм диаметром составляет:

- узел присоединения к горячей магистрали

- узел присоединения к обратной магистрали

- девять этажестояков :

Расход воды по стояку:

кг/ч.

Перепад температур на стояке:

Полученный перепад также выходит за допустимые пределы.

Конструируем составной стояк: 4 этажестояков и узел присоединения к подающей магистрали диаметром 20 мм, 5 этажестояка и узел присоединения к обратной магистрали диаметром 15 мм.

По табл. 14 приложения 9 находим характеристику сопротивления составного стояка:

- узел присоединения к подающей магистрали диаметром 20 мм:

- 4 этажестояков :

- 5 этажестояка :

- узел присоединения к обратной магистрали диаметром 15 мм

Итого:

Расход воды по стояку:

кг/ч.

Перепад температур на стояке

что вполне допустимо.

2.2.3 Расчет магистральных трубопроводов участков 3 и 3’.

Расход воды на участках известен:

кг/ч.

По табл. 9 приложения 9 принимаем диаметр магистралей мм. Расчетный расход 494 кг/ч находится внутри допустимого интервала / кг/ч и кг/ч /.

По табл. 11 приложения 9 имеем:

На участках магистралей имеется два тройника на проходе воды.

Гидравлические характеристики тройников:

- расход воды на проход кг/ч;

- общий расход воды

кг/ч.

Отношение расходов

По табл. 13 приложения 9 имеем:

- для тройника на подающей магистрали ;

- для тройника на обратной магистрали .

Характеристика сопротивления участка 3:

Па/(кг/ч)².

Характеристика сопротивления участка 3':

Па/(кг/ч)².

Потеря давления на участке 3:

Па.

Потеря давления на участке 3':

Па.

2.2.4 Расчет Ст.3 (участок 4).

Перепад давлений на стояке известен:

Па.

Тепловая нагрузка стояка Вт.

Принимаем диаметр стояка и обвязки приборных узлов мм.

Определяем эквивалентный К.М.С. ξ_экв,4, прямых участков труб (без этажестояков и участков, проходящих по этажам) стояка 3:

2,6*8=20,8,

где l₄ – расчетная длина участка без этажестояков;

l₄ = 8 м.

Выявляем местное сопротивление на стояке по таблице 12 приложение 9 [3]; определяем их К.М.С.:

- 3 отвода d=15 мм: *3 = 2,4.

Приведенный К.М.С. участка 4:

20,8+2,4=23,2.

Характеристика сопротивления участка (без этажестояков):

10,6*10^-4*23,2=245,9*10^-4Па/(кг/ч)².

По табл. 14 приложения 9 находим характеристику сопротивления стояка:

- узел присоединения к горячей магистрали

- узел присоединения к обратной магистрали

- три этажестояка

- 16,8 м прямой трубы

Итого:

Общая характеристика сопротивления участка 4:

245,9+970,5 =1216,4*10^-4 Па/(кг/ч)².

Расход воды по стояку:

кг/ч.

Перепад температур на стояке:

Температурный перепад входит в допустимые пределы, но увеличить его нельзя, так как взятый диаметр является минимальным, поэтому на этом расчет участка 4 закончен.

2.2.5 Расчет магистральных трубопроводов участков 5 и 5’.

Расход воды на участках:

494+196=690 кг/ч.

По таблице 9 приложения 9 [3] принимаем диаметр магистралей d₅ = d₅^/ =25 мм.

По таблице 11 приложения 9 [3]:

На участках магистралей имеется два тройника на проходе воды. Гидравлические характеристики тройников:

- расход воды на проходе 690 кг/ч.

- общий расход воды 877 кг/ч.

Отношение расходов

0,79.

По таблице 13 приложения 9 [3] имеем:

- для тройника на подающей магистрали 0,3;

- для тройника на обратной магистрали 1,2.

Характеристика сопротивления участка 5:

1,23*10^-4*(1,25*3+0,3)=4,98*10^-4 Па/(кг/ч)².

Характеристика сопротивления участка 5^/:

1,23*10^-4*(1,25*3+1,2)=6,09*10^-4 Па/(кг/ч)².

Потеря давления на участке 5:

237,1 Па.

Потеря давления на участке 5^/:

289,9 Па.

2.2.6 Расчет Ст. 4 (участок 6).

Перепад давлений на стояке известен:

237,1+289,9+4686,7=5213,7 Па.

Тепловая нагрузка стояка Q₆ = 7722 Вт.

Принимаем диаметр стояка и обвязки приборных узлов 15 мм.

По таблице 14 приложения 9 [3] находим характеристику сопротивления стояка:

- узел присоединения к подающей магистрали 91,2*10^-4 Па/(кг/ч)²;

- узел присоединения к обратной магистрали 85,6*10^-4 Па/(кг/ч)²;

- девять этажестояков 9х155=1395*10^-4 Па/(кг/ч)².

Итого: S₆=1571,8*10^-4 Па/(кг/ч)².

Расход воды по стояку:

182 кг/ч.

Перепад температур на стояке:

ºС.

Полученный перепад укладывается в допустимые пределы / /.

2.2.7 Расчет магистральных участков 7 и 7’.

Расход воды на участках известен:

182+690=872 кг/ч.

По таблице 9 приложения 9 принимаем диаметр магистралей d₇ = d₇^/ = 25. Расчетный расход 872 кг/ч находится внутри допустимого интервала (G_max =1600 и G_min =500).

По таблице 11 приложения 9 имеем:

На участках магистралей имеется два тройника на проходе воды. Гидравлические характеристики тройников:

- расход воды на проходе 872 кг/ч;

- общий расход воды 1074 кг/ч.

Отношение расходов:

0,81.

По таблице 13 приложения 9 имеем:

- для тройника на подающей магистрали 0,2;

- для тройника на обратной магистрали 0,7.

Характеристика сопротивления участка 7:

0,39*10^-4(0,9*5+0,2)=1,83*10^-4 Па/(кг/ч)².

Характеристика сопротивления участка 7^/:

0,39*10^-4(0,9*5+0,7)=2,03*10^-4 Па/(кг/ч)².

Потеря давления на участке 7:

139,2 Па.

Потеря давления на участке 7^/:

154,4 Па.

2.2.8 Расчет Ст. 5 (участок 8).

Перепад давлений на стояке известен:

139,2+154,4+5213,7=5507,3 Па.

Тепловая нагрузка стояка Q₈ = 8034 Вт.

Принимаем диаметр стояка и обвязки приборных узлов 15 мм.

По таблице 14 приложения 9 находим характеристику сопротивления стояка:

- узел присоединения к подающей магистрали 91,2*10^-4 Па/(кг/ч)²;

- узел присоединения к обратной магистрали 85,6*10^-4 Па/(кг/ч)²;

- девять этажестояков 9х155=1395*10^-4 Па/(кг/ч)².

Итого: S₈=1571,8*10^-4 Па/(кг/ч)².

Расход воды по стояку:

187 кг/ч.

Перепад температур на стояке:

Полученный перепад укладывается в допустимые пределы / /.

2.2.9 Расчет магистральных трубопроводов участков 9 и 9’.

Расход воды на участках известен:

187+872=1059 кг/ч.

По таблице 9 приложения 9 принимаем диаметр магистралей d₉ = d₉^/ = 32. Расчетный расход 1059 кг/ч находится внутри допустимого интервала (G_max =3500 и G_min=875).

По таблице 11 приложения 9 [3] имеем:

На участках магистралей имеется два тройника на ответвлении потока воды и два вентиля. Гидравлические характеристики тройников:

- расход воды на ответвлении 1059 кг/ч;

- общий расход воды 2149 кг/ч,

где Q_прав – тепловая нагрузка правой ветки системы.

Отношение расходов:

0,49.

По таблице 13 приложения 9 [3] имеем:

- для тройника на подающей магистрали ξ = 5,0;

- для тройника на обратной магистрали ξ =1,5.

По таблице 12 приложения 9 К.М.С. вентиля с диаметром условного прохода 32 мм ξ = 9.

Суммарный К.М.С. участка 11 ξ =14.

Суммарный К.М.С. участка 11^/ ξ =10,5.

Характеристика сопротивления участка 9:

0,39*10^-4*(0,9*0,4+14)=5,6*10^-4 Па/(кг/ч)².

Характеристика сопротивления участка 11^/:

0,39*10^-4*(0,9*1,5+10,5)=4,62*10^-4 Па/(кг/ч)².

Потеря давления на участке 9:

5,6*10^-4*1059²=628 Па.

Потеря давления на участке 11^/:

4,62*10^-4*1059²=518,1 Па.

2.2.12 Общие потери давления на магистральных трубопроводах участков 9 и 9’.

Общие потери давления на магистральных участках P₉ + P₉^/ =1146,1 Па, что составляет 21% от потерь давления на стояке Ст. 5. В целях повышения гидравлической устойчивости систем водяного отопления СНиП 2.04.05–86 рекомендует суммарные потери давления на магистральных трубопроводах принимать не более 20-25% от общих потерь давления в стояке (не считая потерь давления на головных участках системы) [2].

Суммарные потери в расчетной левой ветке:

P_лев= P₉ + P₉^/+ P₈ =628+518,1+5507,3=6653,4 Па.

2.2.13 Расчет магистральных трубопроводов участков 10 и 10’.

Расход воды на участках 10 (10^/):

=2133 кг/ч.

По таблице 9 приложения 9 принимаем диаметр магистралей d₁₂ = d₁₂^/ = 50. Расчетный расход 2133 кг/ч находится внутри допустимого интервала (G_max =11700 и G_min =1950).

По таблице 11 приложения 9 [3] имеем:

На участках магистралей имеется два тройника на ответвлении потока воды. Гидравлические характеристики тройников:

- расход воды на ответвлении 2133 кг/ч;

- общий расход воды кг/ч.

Отношение расходов:

0,55.

По таблице 13 приложения 9 [3] имеем:

- для тройника на подающей магистрали ξ₁₀ = 5,0;

- для тройника на обратной магистрали ξ_10/ =1,5.

Характеристика сопротивления участка 10:

0,08*10^-4*(0,52*2,8+5)=0,52*10^-4 Па/(кг/ч)².

Характеристика сопротивления участка 10^/:

0,08*10^-4*(0,52*4,3+1,5)=0,3*10^-4 Па/(кг/ч)².

Потеря давления на участке 10:

0,52*10^-4*2133²=236,6 Па.

Потеря давления на участке 12^/:

0,3*10^-4*2133²=136,5 Па.

2.2.14 Расчет магистральных трубопроводов участков 11 и 11’.

Расход воды на участках 11 (11^/):

=3892 кг/ч.

По таблице 9 приложения 9 [3] принимаем диаметр магистралей d₁₃ = d₁₃^/ = 50. Расчетный расход 3892 кг/ч находится внутри допустимого интервала (G_max =11700 и G_min =1950).

По таблице 11 приложения 9 имеем:

Местные сопротивления на участках:

участок 11: 5 отводов d=50мм: ξ₁₁=5х0,3=1,5;

1 задвижка d=50мм: ξ₁₁=0,5;

итого: ξ₁₁=2;

Участок 11^/: 3 отвода d=50мм: ξ_11/=3х0,3=0,9;

1 задвижка d=50мм: ξ_11/=0,5;

итого: ξ_11/=1,4.

Характеристика сопротивления участка 11:

0,08*10^-4*(0,52*47,3+2)=2,13*10^-4 Па/(кг/ч)².

Характеристика сопротивления участка 11^/:

0,08*10^-4*(0,52*6,2+1,4)=0,37*10^-4 Па/(кг/ч)².

Потеря давления на участке 11:

2,13*10^-4*3892²=3226,5 Па.

Потеря давления на участке 11^/:

0,37*10^-4*3892²=560,5 Па.

2.2.15 Результаты гидравлического расчета системы.

Результаты гидравлического расчета системы приведены в таблице 2.2.

Таблица 2.2

Сводная таблица результатов гидравлического расчета однотрубной системы водяного отопления

Номер участка

Тепловая нагрузка Q,Вт

Длина уч-ка l,м

Расход те плоносит. G,кг/ч

Диаметр уч-ка D,мм

Характе-ристика сопротив-ления участка

Sх10⁴,

Перепад темпе-ратур на стояке

°C

Потеря давления на участке P, Па

1(ст. 1)

41,5

492,23

38,0

4225,7

2(ст. 2)

32,2

15, 20

1050,3

33,7

4225,7

1,3

8,01

195,5

1,3

10,88

265,5

4(ст. 3)

33,2

1216,4

31,5

4686,7

4,98

237,1

6,09

289,9

6(ст. 4)

32,2

1571,8

36,5

5213,7

1,83

139,2

2,03

154,4

8(ст. 5)

32,2

1571,8

36,9

5507,3

0,4

5,6

1,5

4,62

518,1

2,8

0,52

236,6

10'

4,3

0,3

136,5

47,3

2,13

3226,5

11'

6,2

0,37

560,5

2.2.16 Общие потери давления в системе и обеспечение гидравлической устойчивости.

Общие потери давления в системе отопления:

P_сист=P₁₁+P_11/+P₁₀+P_10/+P₉+P_9/+P₈=3226,5+560,5+236,6+136,5+628+518,1+

+5507,3=10813,5 Па,

в том числе без головных участков 11 и 11^/:

P_сист-P₁₁-P_11/=10813,5-3226,5-560,5=7026,5 Па.

В целях обеспечения гидравлической устойчивости системы отопления доля потерь давления в стояках должна составлять не менее 70% от общих потерь давления в системе (без головных участков). В данном случае имеем:

-доля стояка 5 (участок 8):

78,4% ;

-доля стояка 4 (участок 6):

74,2% ;

-доля стояка 3 (участок 4):

66,7% ;

-доля стояков 1 и 2 (участки 1 и 2):

60,1%.

2.2.17 Подбор водоструйного элеватора.

В результате гидравлического расчета получены следующие основные характеристики:

- расчетный расход воды в системе отопления =3892 кг/ч;

- расчетные потери давления в системе отопления P_сист =10813,5 Па.

Указанные параметры являются исходными для подбора водоструйного элеватора для системы отопления, которая подключается к городским тепловым сетям.

Для определения требуемого давления, развиваемого элеватором, необходимо из расчетных потерь давления в системе отопления вычесть естественное циркуляционное давление, то есть:

P_н=P_сист-P_ест

Циркуляционное давление в однотрубных системах с верхней разводкой можно определить по приближенной формуле:

, (2.1)