Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!
МегаЛекции

Естественное циркуляционное давление




Естественное циркуляционное давление является одним из составляющих расчетного циркуляционного давления в системе водяного отопления. Причина его возникновения уже известна.

Нагревание и охлаждение воды в циркуляционных кольцах системы создают неоднородное распределение ее плотности. В строго горизонтальной системе отопления это явление не вызывает циркуляции воды. Естественная циркуляция воды возникает в вертикальной системе. Значение естественного давления, вызывающего циркуляцию воды, определяется разностью гидростатического давления двух столбов воды одинаковой высоты.

Охлаждение теплоносителя воды в системе отопления происходит непрерывно по мере удаления от теплообмен-

 

Рис. 7.18. Схемы вертикального циркуляционного кольца теплопроводов без отопительных приборов с центром нагревания (ц. н.)

а — при постепенном охлаждении теплоносителя воды в трубах; б — при введении условных центров охлаждения (ц. о.) воды

 

Рис. 7.19. Схема вертикального циркуляционного кольца теплопроводов с произвольно расположенными центрами нагревания (ц. н.) и охлаждения (ц. о.) теплоносителя воды

 

ника, на выходе из которого температура воды имеет наивысшее значение, и заканчивается при возвращении ее к теплообменнику. Постепенное остывание воды в теплопроводах сменяется быстрым охлаждением ее в отопительных приборах. Поэтому общее естественное циркуляционное давление, возникающее в системе, можно рассматривать как сумму двух величин: давления ∆P.е.пр.. образующегося вследствие охлаждения воды в отопительных приборах, и давления ∆P.е.тр.вызываемого охлаждением воды в трубах

∆P.е.= ∆P.е.пр. ∆P.е.тр.

В большинстве случаев — в системах отопления многоэтажных зданий — первое слагаемое является основным по значению, второе — дополнительным. В частном случае — в одноэтажных зданиях — основным является ∆P.е.тр.

При рассмотрении значений естественного циркуляционного давления используют понятие о центре охлаждения теплоносителя. В центре охлаждения действительное постепенное изменение температуры (и плотности) воды по длине теплопровода или отопительного прибора принимают условно скачкообразным. С введением такой условной границы охлаждения можно считать, что на каждой половине длины отрезка теплопровода или прибора вода имеет свою постоянную плотность. При этом гидростатическое давление не должно изменяться. Подобную условную границу изменения температуры воды в теплообменнике системы отопления называют центром нагревания.

Определение естественного циркуляционного давления, возникающего вследствие охлаждения воды в приборах (∆P.е.пр) связано с видом системы отопления, поэтому его целесообразно произвести совместно с рассмотрением расчетных схем.

При определении естественного циркуляционного давления, вызываемого охлаждением воды в трубах (∆P.е.тр), примем, что приборы в циркуляционном кольце отсутствуют и вода охлаждается при теплопередаче только через стенки труб.

Рассмотрим схему такого вертикального циркуляционного кольца теплопровода, в котором при установившемся движении воды ее плотность постепенно возрастает от значения ρ1 (при температуре после центра нагревания) до значения ρ5 (при температуре перед центром нагревания). На стыках вертикальных и горизонтальных труб покажем промежуточные значения плотности воды.

Естественное давление, вызывающее движение воды в трубах, найдем как разность гидростатического давления двух столбов воды высотой h, имеющей различную среднюю плотность: (7.19)

Это же значение циркуляционного давления получим в другом виде с использованием условных центров нагревания и охлаждения воды в трубах (рис. 7.18, б), находящихся на некоторой высоте над плоскостью отсчета I—I

(7-20)

В более общем случае при произвольном расположении в условных центров нагревания и охлаждения в вертикальном циркуляционном кольце теплопроводов (рис. 7.19) естественное давление, возникающее вследствие охлаждения воды в трубах, составит

или после преобразования

(7.21)

По последнему уравнению можно установить, что для получения естественного давления следует вертикальные расстояния от центров охлаждения и нагревания до плоскости отсчета I-I умножать на разности плотности воды после и до каждого центра (считая по направлению движения воды). При этом охлаждение над центром нагревания увеличивает циркуляционное давление, нагревание над центром охлаждения его уменьшает. Уравнение (7.21) перепишем в общем виде, используемом при проектировании систем водяного отопления:

Можно сделать вывод: естественное давление, возни­кающее вследствие охлаждения воды в трубах циркуляционного кольца, состоящего из N участков, складывается из произведений высоты, расположения центра охлаждения или нагревания над некоторой плоскостью на разность плотности воды в концах участка, включающего такой центр.

Видно, что естественное циркуляционное давление тем больше, чем выше расположены центры охлаждения над центром нагревания (обычно за плоскость отсчета принимают плоскость, проходящую через центр нагревания). При расположении хотя бы одного из центров охлаждения ниже центра нагревания (ц. о.4 на рис. 7.19) естественное циркуляционное давление уменьшается.

Следовательно, в системе отопления с верхней разводкой ∆P.е.тр всегда больше, чем в системе с нижней разводкой, за счет увеличения вертикального расстояния от центров охлаждения в верхней магистрали до центра нагревания.

Общим, многократно повторяющимся элементом каждой вертикальной или горизонтальной системы является стояк или ветвь. В стояке или ветви отдельные узлы соединения отопительных приборов с трубами (приборные узлы), объединенные промежуточными теплопроводами, создают основу системы отопления, определяющую принцип ее действия и величину естественного циркуляционного давления, возникающего вследствие охлаждения воды в приборах.

Системы водяного отопления с естественной циркуляцией (конструктивные особенности систем, достоинства и недостатки, область применения, схемы вертикальных и горизонтальных 2х-трубных и 1-трубных систем).

В системах с естественной циркуляцией движение воды в циркуляционных кольцах осуществляется за счет естественного давления вызванного разностью плотностей нагретой и охлажденной воды.

Область применения системы с естественной циркуляцией воды (гравитационной) в настоящее время ограничена. Её используют для отопления отдельных жилых квартир, обособленных зданий (особенно в сельской местности), зданий при неналаженном снабжении электрической энергией. Применяют также в зданиях, в которых недопустимы вызываемые циркуляционными насосами шум и вибрация конструкций (например при точных измерениях).

Особенности конструкции гравитационной системы, отражающие природу её действия:

Гравитационная система для улучшения циркуляции воды устраивается, как правило, с верхним расположением подающей магистрали – с верхней разводкой.

Расширительный бак в гравитационной системе непосредственно присоединяется к главному стояку для непрерывного безпрепятственного удаления воздуха из системы через бак в атмосферу (без воздухосборников и воздухоотводчиков).

Подающая магистраль прокладывается с увеличенным уклоном (не менее 0,005) для сбора воздуха против направления движения воды к точке присоединения расширительного бака.

Приборные узлы выполняются для обеспечения движения воды в отопительных приборах по схеме сверху-вниз с целью повышения коэффициента теплопередачи

приборов.

Однотрубные стояки устраиваются с замыкающими участками у приборов для уменьшения потерь давления при движении воды через приборные узлы.

преимущества системы отопления с естественной циркуляцией воды

К основным преимуществам системы отопления с естественной циркуляцией воды по сравнению с други­ми видами отопительных систем относятся:

— ровная температура помещений, обусловленная са­морегулированием системы отопления. Саморегулирова­ние заключается в том, что при изменении температуры и плотности воды изменяется и ее расход (вследствие воз­растания или уменьшения естественного циркуляционного давления). Одновременное изменение температуры и рас­хода воды придает системе тепловую устойчивость, обес­печивая теплопередачу приборов, необходимую для под­держания заданной температуры помещений;

— независимость действия системы от снабжения электрической энергией;

— относительная простота устройства и эксплуатации;

— отсутствие шума и вибраций;

— сравнительная долговечность (при правильной эксплуатации система может действовать около 50 лет без капитального ремонта).

недостатки систем отопления с естественной циркуляцией воды

Применение систем водяного отопления с естествен­ной циркуляцией допускается лишь для небольших зда-

ний. В этих системах величина циркуляционного давле­ния невелика, и поэтому диаметры труб должны быть большими, не допускающими больших скоростей движе­ния воды. В противном случае система может оказаться экономически невыгодной.

К недостаткам системы отопления с естественной циркуляцией воды относятся:

— повышенная стоимость (до 5—7 % стоимости зда­ния) в связи с применением труб большого диаметра;

— большой расход металла и увеличение затрат труда на монтаж системы;

— сокращение радиуса действия из-за небольшого циркуляционного давления;

— замедленное включение системы в действие;

— высокая вероятность замерзания воды в трубах, проложенных в неотапливаемых помещениях.

Схема двухтрубной системы водяного отопления с верхней разводкой и естественной циркуляцией.

К – котел, 1 – главный стояк, 2 – подающий магистральный теплопровод (горячей воды), 3 – сигнальная труба, 4 – расширительный бак, 5 – переливная труба, 6 – циркуляционная труба, 7 – вентили или краны на стояках, 8 – тройники с пробкой, верхние – для впуска воздуха в отключенный стояк, нижние – для спуска воды, 9 – подающие стояки (горячей воды), 10 –отопительные приборы, 11 – обратные стояки, 12 – регулировочные краны у отопительных приборов, 13 – подающие подводки, 14 – обратные проводки, 15 – обратный магистральный теплопровод, 16 запорные вентили, 17 – труба для заполнения системы водой из водопровода, 18 – спускная труба.

Рис. 7.2. Схема двухтрубной системы водяного отопления с нижней разводкой и естественной циркуляцией

К —котел; / — главный стояк; 2, 3, 5 — соединительная, переливная, сигналь­ная трубы расширительного бака; 4 — расширительный бак; 6 — воздушная лкния; 7 — воздухосборник; 8 — подающие подводки; 9 — регулировочные краны у отопительных приборов; 10 — отопительные приборы; 11 — обратные подводки; 12 — обратные стояки (охлажденной воды); 13 — подающие стояки (горячей воды); 14 — тройники с пробкой для спуска воды; 15— краны или вентили на стояках; 16, 17 — подающий и обратный магистральные теплопро-соды; 18 —запорные вентили или задвижки на магистральных теплопроводах для регулирования и отключения отдельных веток; 19 — воздушные краны

Схема однотрубной системы водяного отопления с верхней разводкой и естественной циркуляцией.

Рис. 7.4. Схема однотрубных го­ризонтальных систем водяного отопления

а, в — проточная; б — с замыкающими участками

Системы водяного отопления с естественной циркуляцией воды не устраивают в многоэтажных зданиях из-за низкого циркуляционного давления и большого расхода металла на трубы значительных диаметров. Для таких домов рекомендуется система водяного отопления с искусственной циркуляцией, которая обеспечивается циркуляционными насосами. Эти насосы не поднимают воду, а только перемещают её, создавая циркуляцию. Циркуляционные насосы функционируют в замкнутых кольцах системы отопления, заполненных водой.

ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ СИСТЕМЫ ВОДЯНОГО ОТОПЛЕНИЯ

Основные положения гидравлического расчета системы водяного отопления

Система водяного отопления представляет собой раз­ветвленную закольцованную сеть труб и приборов, заполненных водой. Вода в течение отопительного сезона нахо­дится в постоянном кругообороте. По трубам (теплопроводам) нагретая вода распределяется по приборам, охлажденная в приборах вода собирается воедино, нагревается в теплообменнике и вновь направляется к приборам. Тепло­проводы предназначены для доставки и передачи в каждое помещение обогреваемого здания необходимого количества тепловой энергии. Так как теплопередача происходит при охлаждении определенного количества воды, требуется выполнить гидравлический расчет системы.

Гидравлический расчет проводится по законам гид­равлики. Расчет основан на следующем принципе: при установившемся движении воды действующая в системе разность давления (насосного и естественного) полностью расходуется на преодоление сопротивления движению.

Правильный гидравлический расчет предопределяет работоспособность системы отопления. Точный расчет системы связан с решением большого числа нелинейных уравнений. Решение затрудняется при выполнении требований СНиП применять трубы по имеющемуся сортаменту. В этих условиях гидравлический расчет заключается в подборе по сортаменту площади поперечного сечения (диаметра) труб, достаточной для подачи нужного количества воды в приборы системы. Потери давления при перемещении требуемого количества воды по трубам принятого диаметра определя­ют гидравлическое сопротивление системы.

Гидравлическое сопротивление системы, как установлено, должно соответствовать действующей разности давле­ния, а в расчетных условиях циркуляции воды — расчетному циркуляционному давлению (см. § 7.5).

Гидравлический расчет выполняют по пространственной схеме системы отопления, вычерчиваемой обычно в аксонометрической проекции. На схеме системы выявляют циркуляционные кольца, делят их на участки и наносят тепловые нагрузки. В циркуляционное кольцо могут быть включены один (двухтрубная система) или несколько (однотрубная система) отопительных приборов и всегда теплогенератор, а также побудитель циркуляции теплоносителя в насосной системе отопления.

Участком называют трубу постоянного диаметра с одним и тем же расходом теплоносителя. Последовательно соединенные участки, образующие замкнутый контур циркуляции воды через теплогенератор, составляют циркуляционное кольцо системы.

Тепловая нагрузка прибора (точнее прибора с прилегающйм этажестояком) принимается равной расчетным теплопотерям помещений Qn (за вычетом теплопоступлений, если они имеются).

Тепловая нагрузка участка Qy, составляется из тепло­вых нагрузок приборов, обслуживаемых протекающей по участку водой:Qyч = ∑Qn. (8.1)

Для участка подающего теплопровода тепловая на­грузка выражает запас теплоты в протекающей горячей воде, предназначенной для последующей (на дальнейшем пути воды) теплопередачи в помещения; для участка обратного теплопровода — потери теплоты протекающей охлажденной водой при теплопередаче в помещения (на предшествующем пути воды). Тепловая нагрузка участка предназначена для определения расхода воды на участке в процессе гидравлического расчета.

Расход воды на участке Gyч при расчетной разности температуры воды в системе tr10 по аналогии с формулой (6.7) с учетом дополнительной теплоподачи в помещения Gуч= Qyч/с(tг-tо1β2 (8.2)

где Qyч — тепловая нагрузка участка, найденная по формуле (8.1); βi и β2 — поправочные коэффициенты, учитывающие дополнительную теплоотдачу в помещения [см. пояснения к формуле (4.21); с — удельная массовая теплоемкость воды, равная 4,187 кДж/ (кг«К).

Для получения расхода воды на участке в кг/ч тепловую нагрузку в Вт следует выразить в кДж/ч, т. е. умножить на 3600 Тепловая нагрузка системы отопления в целом равна сумме тепловых нагрузок всех приборов (теплопотерь помещений). По общей теплопотребности для отопления здания определяют расход воды в системе [формула (6.7)]

[пояснения — см. формулу (8.2)].

Гидравлический расчет связан с тепловым расчетом отопительных приборов и труб. Требуется многократное повторение расчетов для выявления действительных рас­хода и температуры воды, необходимой площади приборов. Для этого используют ЭВМ. При расчете вручную сначала выполняют гидравлический расчет системы, принимая средние значения коэффициента местного сопротивления (КМС) приборов, затем — тепловой расчет труб и приборов.

Если в системе применяют конвекторы, в конструкцию которых входят трубы D у= 15 и 20 мм, то для более точного расчета предварительно определяют длину этих труб, а после гидравлического расчета с учетом потерь давления в трубах приборов, уточнив расход и температуру воды, вно­сят поправки в размеры приборов.

При гидравлическом расчете потери давления на каждом участке Аруч, Па, циркуляционных колец системы отопления определяют по формуле Дарси — Вейсбаха, известной из курса гидравлики (8.4)

По формуле (8.4) находят падение гидростатического давления в потоке воды вследствие линейной потери (первое слагаемое) при трении о стенки трубы и местных сопротивлений (второе слагаемое) из-за деформации потока в фасонных частях, арматуре и приборах.

Коэффициент гидравлического трения Я зависит от.режима движения жидкости (ламинарного или турбулентного) в трубах и приборах систем отопления.

При ламинарном движении воды коэффициент гидрав­лического трения по формуле Пуазейля с поправкой на шероховатость труб (действительная в диапазоне изменения числа Рейнольдса от 300 до 7000)

где Re — число Рейнольдса (Re=ωdB/v); kэ — эквивалентная шероховатость внутренней поверхности труб (в системах водяного отопления принимают kэ =0,2 мм).

При турбулентном движении воды в трубах (во всей области турбулентного режима от гидравлически гладких до вполне шероховатых труб) наиболее часто (с учетом зарубежной практики) используют формулу Колбрука (в отечественной практике применяют также формулу А. Д. Альт-шуля): (8.6)

Турбулентное движение воды наблюдается в современ­ных насосных системах (особенно однотрубных) многоэтажных зданий.

Ламинарное движение встречается в чугунных отопи­тельных приборах и в трубах систем с естественной циркуляцией воды малоэтажных зданий.

Коэффициент гидравлического трения дополнительно возрастает при малой скорости движения в связи со значительным охлаждением воды в трубах.

Коэффициент местного сопротивления (КМС) £ зависит в основном от геометрической формы препятствий движению (арматура, приборы, воздухосборники, грязевики, коллекторы и т. п.), изменения направления движения и расхода воды (в тройниках, крестовинах, отводах, скобах, утках, калачах и других фасонных частях).

Значения КМС, как правило, определяют опытным путем и при гидравлических расчетах насосных систем отопления усредняют (хотя известно, что ζ увеличивается под влиянием вязкости при малой скорости движения воды). Для тройников и крестовин находят по отдельности значения КМС для прямых проходов и ответвлений, отнесенные к гидродинамическому давлению в потоках до их слияния или после деления в этих фасонных частях, т. е. к участкам с меньшим расходом воды. Например, КМС равностороннего тройника при делении потока воды пополам составляют: на проходе 2,2, на ответвлении 5,4; при слиянии равных потоков соответственно 2,2 и 2,0 (число два означает, что потеря гидростатического давления при слиянии бокового потока с прямым равна двум единицам гидродинамического давления, причем гидродинамическое давление подсчитано по значению скорости движения воды в боковом ответвлении).

При гидравлическом расчете вертикальной двухтрубной системы отопления после расчета основного и второстепенных циркуляционных колец через отопительные приборы на нижнем этаже дополнительно рассчитывают стояки. Расчет стояков двухтрубной системы сводится к выбору диаметра труб с увязкой потерь давления на параллельно соединенных участках [согласно формуле (8.10)], так как общие участки циркуляционных колец уже рассчитаны. При этом учитывается изменение естественного циркуляционного давления для приборов, размещаемых на различных этажах.

На рис. 8.10 изображены двухтрубные стояки систем с верхней (рис. 8.10, а) и нижней (рис. 8.10, б) разводками. Двойными линиями отмечены участки (пусть Q2>Q1), потери давления на которых известны из предшествующего расчета циркуляционных колец через приборы на первом этаже. Располагаемое циркуляционное давление для расчета дополнительных (не общих) участков, обеспечивающих теплоносителем приборы на втором этаже, параллельно соединенных с рассчитанными участками, составит:

Схемы двухтрубных стояков с расчетными участками в системах водяного отопления с верхней (а) и нижней (б) разводками

при верхней разводке (8.31а)

при нижней разводке (8.316)

где Н$ — вертикальное расстояние между центрами охлаждения воды в отопительных приборах на втором и первом этажах.

Вторые слагаемые учитывают дополнительное естест­венное циркуляционное давление по формулам (7.34) и (7.39). Видно, что < за счет потерь давления на участке l. С другой стороны, расчетных участков в стояках при нижней разводке больше (три участка — о, р и r между точками А и Б на рис. 8.10, б — пусть Q3>Q4), чем при верхней (два участка — р и г между точками А и Б на рис. 8.10, а). Следовательно, увязка располагаемого и потерянного давления в стояках системы с нижней разводкой вполне достижима и система поэтому работает более устойчиво. Этим объясняется то, что при насосной циркуляции воды в многоэтажных зданиях применяются если не однотрубные, то двухтрубные системы с нижней разводкой, а двухтрубные системы с верхней подающей магистралью используются ограниченно — лишь в малоэтажных зданиях

 

Конструкции стояков в однотрубных и двухтрубных вертикальных системах водяного отопления. Определение расчетных значений расхода теплоносителя и температурных параметров для отопительных приборов в различных схемах стояков. Особенности гидравлического расчета.

Поделиться:





Воспользуйтесь поиском по сайту:



©2015 - 2024 megalektsii.ru Все авторские права принадлежат авторам лекционных материалов. Обратная связь с нами...