Расчет трубопроводов систем водяного отопления с естественной циркуляцией

Нормальное действие любой системы центрального отопления, в том числе и рассматриваемой системы водяного отопления с естественной циркуляцией, во многом зависит от качества расчета трубопровода, правильного подбора диаметров труб, обеспечивающего подачу в нагревательные приборы требуемого количества воды.

В принципе метод расчета трубопроводов не зависит от вида перемещаемого по ним теплоносителя, так как движение воды, пара или воздуха по трубопроводам (каналам, воздуховодам) подчиняется одним и тем же законом гидравлики.

В соответствии с этими законами всякая движущаяся по трубопроводам среда преодолевает все встречающиеся на ее пути сопротивления - трение ее о стенки труб и так называемые местные сопротивления. Под местными сопротивлениями следует понимать возможные ответвления и повороты трубопроводов, встречающиеся на пути движения среды запорную и регулирующую арматуру (вентили, краны, задвижки), нагревательные приборы и др.

Движение любой среды в трубопроводах происходит за счет разности давлений в начальном и конечном его сечениях. Причем разность этих давлений затрачивается на перемещение среды и преодоление гидравлических сопротивлений.

Потеря давления на трение. Потеря давления на преодоление сопротивления трения на 1 м длины трубопровода в кгс/м² определяется по формуле

R = , (28)

где l - коэффициент трения; U - скорость движения среды в м/сек; g - объемный вес среды в кг/м²; g - ускорение силы тяжести в м/сек²; d - диаметр трубопровода в м.

Коэффициент трения l является переменной величиной и зависит от режимадвижения среды и степени шероховатости внутренних стенок трубопровода.

Из гидравлики известно, что режим движения всякой среды может быть ламинарным и турбулентным. При ламинарном режиме жидкость движется равномерными параллельными струйками по всему сечению трубы, а при турбулентном режиме в трубопроводе наблюдается в основном вихревое движение. То и другое движение отличается друг от друга распределением скоростей по сечению трубопровода.

Установить режим движения можно при помощи так называемого критерия (числа) Рейнольдса Rе, который выявляет зависимость между скоростью движения среды U (м/сек), диаметром трубопровода d (м) и кинематической вязкостью среды V (м²/сек), т.е. имеет вид:

(29)

Ламинарный режим движения среды характеризуется значением критерия Rе<2300.

В трубопроводах отопительных систем, как правило, имеет место турбулентный режим движения при Rе>2300.

Только в системах водяного отопления с естественной циркуляцией воды при трубопроводе диаметром d=15 мм и скорости U = 0,05 м/сек и при средней температуре t_ср = ⁰С может происходить движение воды в ламинарном режиме, так как в этом случае

где 0,366•10^-6 - кинематическая вязкость воды при t_ср=80⁰С.

При ламинарном движении коэффициент трения l зависит только от критерия Рейпольдса и определяется формулой

(30)

При больших значениях числа Рейнольдса (турбулентный режим) коэффициент трения уже не зависит от него и является лишь функцией относительной шероховатости трубопровода. Для этого случая коэффициент трения можно определять по формуле Никурадзе:

(31)

где r - радиус трубы в м; k - коэффициент шероховатости, зависящий от материала трубы, качества ее изготовления, продолжительности и условий работы трубопровода. Ориентировочно для трубопроводов водяного отопления можно принимать k =0,2 мм.

Потери давления в местных сопротивлениях. Потери давления в местных сопротивлениях трубопровода определяют по формуле

(32)

где x - безразмерный коэффициент, принимаемый по данным приложения.

Более точные значения коэффициентов местных сопротивлений для тройников и крестовин указаны в справочной литературе, например в “Таблицах для расчета трубопроводов отопления и горячего водоснабжения”, составленных П.Ю. Гамбургом (Госстройиздат, 1961).

Таблица 3 - Коэффициенты местных сопротивлений для различных элементов систем отопления (приближенные значения)

Элементы систем отопления	Условный проход труб d, мм
					≥50
Радиаторы двухколонные
Внезапное расширение
сужение	0,5	0,5	0,5	0,5	0,5	0,5
Отступы	0,5	0,5	0,5	0,5	0,5	0,5
Компенсаторы:
П-образные
сальниковые	0,5	0,5	0,5	0,5	0,5	0,5
Отводы:
90° и утки	1,5	1,5			0,5	0,5
двойные узкие
широкие
Скобы
Тройники:
на проходе
на ответвлении	1,5	1,5	1,5	1,5	1,5	1,5
на противотоке
Крестовины:
на проходе
на ответвлении
Вентили:
обыкновенные
прямоточные				2,5	2,5
Задвижки	-	-	0,5	0,5	0,5	0,5
Краны:
проходные					-	-
двойной регулировки				-	-	-
Трехходовой кран:
при повороте потока			4,5	-	-	-
прямом проходе		1,5		-	-	-

Местные сопротивления тройников и крестовин, являющиеся разделом смежных участков трубопровода, принято относить к участкам с меньшим расходом среды.

При определении потерь давления на местные сопротивления следует пользоваться таблицей 2, составленной по формуле (32) для различных скоростей движения среды в трубопроводе и суммы значений коэффициентов местных сопротивлений. Из сказанного ясно, что для определения потери давления Z необходимо знать скорость движения воды в трубах. Поэтому расчет трубопроводов следует начинать с определения потерь давления на трение. Только подобрав по удельной потере давления на трение R_ср (потеря давления на 1 м длины трубопровода) соответствующие диаметры труб и скорости движения воды в них, можно будет, пользуясь таблицей 2, найти значение Z.

Сущность расчета трубопроводов системы отопления сводится к определению наиболее экономичных его сечений (наименьших диаметров), способных пропустить количество теплоносителя, необходимого для нормального прогрева нагревательных приборов. Для этого необходимо, чтобы располагаемое давление Н в рассчитываемом трубопроводе (кольце, участке) было достаточным для преодоления всех сопротивлений трения и местных сопротивлений, т.е. чтобы было соблюдено условие

Н³å(Rl+Z), (33)

где Н - располагаемое давление в водяных системах с естественной циркуляцией; l - длина трубопровода в м.

Если трубопровод представляет собой циркуляционное кольцо, состоящее из ряда последовательно соединенных участков, то общая потеря давления в нем будет равна сумме потерь давления на участках.

При разветвлении теплоносителя на отдельные циркуляционные кольца для нормальной работы системы необходимо, чтобы потери давлений в них были равны между собой.