Курсач. 1. описание проблемной ситуации

• Название: 1. описание проблемной ситуации
• Дата: 24.05.2022
• Размер: 237.9 Kb.
• Имя файла: Курсач.docx
• Тип: Документы; #546523

В В Е Д Е Н И Е

Требуемый микроклимат в помещениях здания, в частности, создание в холодный период года заданной температуры воздуха, соответствующей комфортным условиям, может быть обеспечен различными системами инженерного оборудования, и в том числе, система отопления должна быть рассчитана на компенсацию теплонедостатка в помещении.

Для проектной разработки принята центральная водяная (низкотемпературная) система отопления с естественной циркуляцией теплоносителя, что является оптимальным по санитарно-гигиеническим качествам, надежности и технологичности для малоэтажного (2 этажа) жилого здания.

Конкретной целью данной работы является определение диаметров участков внутренней сети трубопроводов для гидравлически сбалансированной системы отопления здания.

1. ОПИСАНИЕ ПРОБЛЕМНОЙ СИТУАЦИИ

1.1. Структурно-функциональная характеристика системы отопления

Схема системы отопления представлена на рисунке 1. Вода, нагретая в теплогенераторе I до температуры t_г=85…95℃, поступает в подающий теплопровод Т1 для транспортирования к отопительным приборам Ⅳ, через стенки которых теплота передается воздуху помещения. Из отопительных приборов вода, охлажденная до температуры t_o=70℃, по обратным теплопроводам Т2 возвращается в теплогенератор, где снова подогревается до температуры t_г. Таким образом, обеспечивается циркуляция теплоносителя по замкнутому кольцу. Для того чтобы в гидравлически замкнутом объеме воды, заполняющему систему отопления, не возникало внутреннее давление, превышающее механическую прочность элементов системы, предусматривается расширительный бак Ⅲ. Кроме того, этот бак предназначается для удаления воздуха в атмосферу, как при заполнении системы водой, так и в период эксплуатации.

1.2. Предварительная (исходная) подготовка расчетной схемы

Представленная на рисунке 2 и в таблицах 1 и 2 информация, позволяет в дальнейшем проводить конкретные гидравлические расчеты по определенному алгоритму.



Рисунок 1. Схема двухтрубной системы водяного отопления с верхней разводной подающих магистралей и естественной (гравитационной) циркуляцией.

Экспликация элементов системы:

I- отопительный котельный агрегат;

II- сеть теплопроводов:

• 
  Подающих (Т1) горячую воду с температурой : II.1- главный стояк; II.2-подающий магистральный теплопровод; II.3- подающий стояк; II.4- подающие подводки;
  
• 
  Обратных (T2) транспортирующий охлажденный теплоноситель с температурой : II.5- обратные подводки; II.6- обратный стояк; II.7 – обратный магистральный теплопровод
  

III- расширительный бак;

IV- отопительные приборы;

V- труба для заполнения системы водой из наружного хозяйственно-питьевого (В1) водопровода;

VI- спускная труба;

Условные обозначения элементов:

- подающий теплопровод;

- обратный теплопровод;

- запорный вентиль;

- кран двойной регулировки;

- диафрагма.



Рисунок 2. Исходная расчетная схема системы отопления.

Из подающего и обратных теплопроводов, а также двух других элементов системы, формируются два циркуляционных контура (2 кольца):

× Первое кольцо: к-1-2-3-4-5-П1-6-7-8-9-к;

× Второе кольцо: к-1-2-3-10-П2-11-12-7-8-9-к.

Спецификация используемых изделий и материалов:

× к – стальной или чугунный водогрейный котел (для низкотемпературного теплоносителя, с не более 100 ˚C);

× П1, П2- Радиаторы чугунные с двумя колонками;

× Сеть теплопроводов:

• 
  трубы стальные водогазопроводные (с шероховатостью внутренней поверхности на момент завершения расчетного срока эксплуатации).
  
• 
  Фасонные части (отводы с углом поворота 90˚ и тройники (промилле));
  
• 
  Арматура (запорные вентили и краны двойной регулировки);
  

Спецификация местных сопротивлений ( ζ принимается по [5]);

• 
  котлы стальные - ;
  
• 
  радиаторы двухколонные - ;
  
• 
  отвод 90˚ - ;
  
• 
  тройник на ответвление - ;
  
• 
  запорный вентиль - ;
  
• 
  кран двойной регулировки - .
  

Таблица 1

Геометрические характеристики системы отопления

№ варианта ТЗ	Длины расчетных участков теплопроводов (l i-n), м													Высотное положение отопитель-ных приборов, м
	lk-1	l1-2	l2-3	l3-4	l4-5	l6-7	l3-10	l11-12	l12-7	l7-8	l8-9	l9-к	hП1		hП2
19	8,6	6,3	1,6	2,5	4,1	3,5	3,0	5,0	2,5	2,0	14,3	0,3	4,5		7,0

Таблица 2

Теплотехнические характеристики системы отопления

№ варианта ТЗ	Температура теплоносителя, ℃			Тепловая нагрузка на отопительные приборы, Вт
	tг (Т1)	tо (Т2)	qП1		qП2
19	86	70	6000		8400

1.3. Подборка справочных данных о свойствах воды, о функционально-конструктивных ограничениях и гидравлических характеристиках элементов системы

1) Численная характеристика свойств воды при изменении ее температуры:

• 
  плотность воды – ρ, кг/м³ : 968 кг/м³ и – Прил.3 (с.449) [5];
  
• 
  кинематический коэффициент вязкости – ν, м²/с : м²/с и м²/с – п. 1.8.2 (с.16) [3].
  

2) Функциональные ограничения параметров потока теплоносителя:

• 
  нормированные эксплуатационные значения скорости потока воды – м/с – табл. Ⅲ. 59 (с.189) [4];
  
• 
  ориентировочное определение дополнительного естественного давления охлаждения воды в теплопроводах системы с верхним расположением падающей магистрали - , Па – Прил. 4 (с.450) [5].
  

Для гидравлического расчета принимаем (для двухэтажного здания) -  200 Па.

3) Номенклатурные ограничения диаметров труб теплопроводов – табл. 1 (с.8) [2] : ГОСТ 3262-75 (Стальные водогазопроводные трубы) :

4) Конкретизация гидравлических характеристик элементов трубопроводов:

• 
  эквивалентная шероховатость внутренней поверхности труб - ∆_э (К_э), мм – табл. 4.1 (с.32) [1];
  

Для гидравлического расчета принимаем (для одинаковых стальных труб после нескольких лет эксплуатации ∆_э (К_э) = 0,5 мм;

• 
  коэффициенты местных сопротивлений (ζ):
  

• 
  для оборудования, фасонных частей и общетехнической трубопроводной арматуры – Прил. 5 (с.450…451) [5];
  
• 
  для регулирующих диафрагм – с.139 [6].
  

2. ФОРМИРОВАНИЕ АЛГОРИТМА ГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАСЧЕТА СИСТЕМЫ ОТОПЛЕНИЯ

На базе исходной информации и представленных в данном разделе формул производятся независимые расчеты колец системы. Первоначально рассчитываются и «увязываются» (до ∆р_е  ∆р_) наиболее «неблагоприятное» кольцо; следующее кольцо после расчета вписывается в параметрический баланс системы с помощью дополнительной регулирующей диафрагмы.

Последовательность всех расчетных действий, формулы и методические особенности их применения даны ниже – в теоритическом описании гидравлического расчета системы.

Список обозначений параметров:

• 
  исходные параметры системы- в TЗ (п/разд. 1.2 ПЗ);
  
• 
  нормативно-справочная конкретизация параметров системы (п/разд. 1.3 ПЗ);
  
• 
  расчетные параметры системы:
  

– естественное циркуляционное давление в кольце отопительной системы, Па;

– гравитационное давление в кольце системы от охлаждения воды в отопительных приборах, Па;

– расход теплоносителя через отопительный прибор для обеспечения заданной тепловой мощности, м³/с;

– расчетный расход теплоносителя на расчетных участках теплопроводов, м³/с;

– расчетный внутренний диаметр на расчетных участках теплопроводов (приводится к d _{гост(вн)} – по стандартному типоразмерному ряду), мм;

– расчетные (действительные) скорости потока воды на расчетных участках теплопроводов, м/с;

– полная потеря давления по кольцу системы (сопряженной с потерей полного напора в линейных и местных сопротивлениях теплопровода), Па;

– сумма потерь давление на преодоление линейных гидравлических сопротивлений на всех участках кольца системы, Па;

– сумма потерь давления на преодоление местных гидравлических сопротивлений по кольцу системы, Па;

– потеря давления по длине на отдельном участке теплопровода;

– коэффициент гидравлического трения на расчетном участке теплопровода;

– число Рейнольдса, характеризующее степень турбулизации потока жидкости на расчетном участке теплопровода;

– потеря давления в местных сопротивлениях, отнесенных к расчетному участку теплопровода, Па;

– коэффициент сопротивления диафрагмы, рассчитанный по избытку гравитационного давления во втором кольце системы;

– диаметр отверстия диафрагмы.

2.1. Определение естественного циркуляционного давления в расчетных кольцах системы

(1)

где ∆ р_е.тр  200 Па (Прил.4 [5]);

∆р_{д (пр)} – действующее (располагаемое) давление между центрами нагрева (К) и охлаждения (П) воды:

(2)

Примечание: анализ формулы показывает, что для повышения естественного давления необходимо заглублять котел, чтобы расстояния от центра К до центра П было большим. Это одна из возможностей приближения значения ∆р_е к значению ∆р_ при проведении увязки кольца (∆р_е  ∆р_).

2.2. Определение расходов теплоносителя, диаметров труб и скоростей движения потока воды на расчетных участках теплопровода

Q_п2 = , (3)

где с – удельная теплоемкость воды, ; с = 4200 ;

– плотность среды для средней температуры; , кг/м³.

Для определения следует анализировать баланс расходов потоков воды в узловых точках сложного трубопровода (см. рис. 2): до точки 3 – узла деления потока, Q_р = Q_П1 + Q_П2; после точки 7 – узла слияния потоков Q_р = Q_П1 + Q_П2; между узлами по ветвям 3-4-5-П1-6-7, Q_р = Q_П1 и 3-10-П2-11-12-7, Q_р = Q_П2.

, (4)

где – нормированная скорость потока теплоносителя (п.2 п/разд. 1.3 ПЗ), принимаемые значения которой в расчетах преобладающе сдвигаются к min допустимым (по условиям удаления воздуха) из-за малых значений ∆р_е ; на падающих участках теплопроводов, в первичных расчетах принимаются ≤ 0,2 м/с;

От , согласно ГОСТ 3262-75 переходим к ближайшему значению и выписываем соответствующие ему ; знание последних параметров необходимо, например, для выбора значений и .

Корректировка значения после первичных расчетов, влияет на действительные значения скоростей потока воды:

(5)

2.3. Определение потери давления в расчетных кольцах системы и «увязка» колец

, (6)

где - полная потеря давления по кольцу системы, которая «накладывается» на ∆р_е, являющуюся «движущей силой» циркуляции теплоносителя в системе, при этом возможно: > ∆р_е или < ∆р_е ; если > ∆р_е , то в системе не обеспечиваются заданные значения Q_П1 и Q_П2; если < ∆р_е, то недопустимо завышаются реальные значения Q_П1 и Q_П2; таким образом необходимо приближаться к выполнению условия  ∆р_е, что достигается в процессе «увязки» кольца системы при целеобусловленном изменении значений, либо (через изменения и ), либо ∆р_е (через изменение ).

, (7)

где и – плотность теплоносителя, принимаемая в зависимости от положения расчетного участка i-n на подающем или обратном теплопроводах системы, кг/м³

, (8)

Универсальной формулой Альтшуля можно пользоваться в любой области сопротивления при турбулентном режиме течения потока жидкости; до определения конкретного характера функциональной зависимости вида: требуется лишь в случае применения других эмпирических и полуэпирических формул, а также справочных графиков и номограмм, строго соответствующих назначению при вполне определенных начальных и граничных условиях.

, (9)

где и – кинематический коэффициент вязкости, принимаемый в зависимости от расположения расчетного участка i-n на подающем или обратном теплопроводах системы, м²/с.

(10)

где – потеря давления в отдельном местном сопротивлении в i-ой точке трубопровода, Па;

– коэффициент местного сопротивления в i-ой точке трубопровода (Прил. 5 [5]);

- скорость потока воды в трубопроводе после местного сопротивления, м/с;

Все , относящиеся к одной и той же , складываются в общую для расчетного участка i-n, , то есть для всех местных сопротивлений, привязанных к этому участку i-n трубопровода, допустимо прямое суммирование значений ζ в этой точке:  . Кроме того, при расчете для местных сопротивлений, находящихся на границе участков с разной тепловой нагрузкой, то есть – для тройника деления потоков в точке 3 и тройника слияния потоков в точке 7 – принимается их привязка к расчетным участкам того направления теплопровода, которое имеет меньшую тепловую нагрузку: 3-4-5-6-7, следовательно – участка 3-4, а – участка 6-7.

Таким образом имеем:

(11)

По завершении гидравлического расчета «неблагоприятного» кольца системы, должно соблюдаться условие:

(12)

то есть, движущая сила циркуляции теплоносителя в «кольце системы» должна быть примерно равна полной потере давления по «кольцу системы».

Примечание: по результатам первичных (предварительных) расчетов, условие (12), как правило, не выполняется; необходимо провести процедуру «увязки» кольца (см. пояснения к ф. 6), то есть, обеспечить сближение значений ∆р_е и в последующих гидравлических расчетах:

• 
  если ∆р_е > , то необходимо увеличить значение наращивая за счет увеличения некоторых значений (то есть, за счет уменьшения на некоторых расчетных участках ); таким образом, можно достигнуть выполнения условия (12), однако «тонкую» доводку с целью достижения допустимой невязки по кольцу можно провести наращиванием отдельных значений (например, при монтажной регулировке системы возможного поэтажного изменения степени открытия кранов по отопительным приборам)
  
• 
  если ∆р_е < , то необходимо уменьшить за счет возрастания изменения H_пр в большую сторону (достигается увеличением глубины подвала, в месте размещения котла)
  

Для колец системы, не относящихся к числу «неблагоприятных», полученные ранее параметры, большей части расчетных участков теплопроводов, практически нельзя менять, поэтому «увязка» этих колец, то есть согласованное включение их всех в систему, обеспечивается дополнительным гидравлическим сопротивлением (например, диафрагмой); если ( то есть нарушается условие (12)) можно обеспечить:

(13)

где – расчетный параметр для второго кольца (п/разд. 3.1. ПЗ)

– расчетный параметр для второго кольца (табл.4 ПЗ);

– тот излишек давления, который необходимо «погасить» дополнительными местными сопротивления, например, диафрагмой с , размещенной на расчётном участке 12-7, обратного теплопровода, Па.

Для установки принимается диафрагма, диаметр отверстия которой подбирается следующим образом:

(14)

, (15)

где x – безразмерный параметр, определяемый по данным [6] (с.139)

3. ВЫПОЛНЕНИЕ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАСЧЕТА СИСТЕМЫ ОТОПЛЕНИЯ

3.1. Назначения порядка расчетов и пределов гидравлической мощности системы

Анализ формулы (2) позволяет утверждать, что минимальную гидравлическую мощность, система отопления развивает в первом кольце (с наименьшим значением h_П1), поэтому обеспечение ее функционально-морфологической надежности в «неблагоприятном» циркуляционном контуре, является приоритетным.

Расходы теплоносителя через отопительные приборы, достаточные для формирования заданной тепловой мощности системы рассчитаны по формуле (3):

Q_п1 =

Q_п2 =

Естественные циркуляционные давления в кольцах системы отопления рассчитаны по формулам (1) и (2):



Па

673Па + 200 Па = 873 Па

3.2. Гидравлический расчет первого кольца.

Численные значения исходных, нормативных и расчетных параметров сведены в таблицу 3. Итерационный процесс расчета обусловлен проведением процедуры увязки первого кольца системы.

3.3. Гидравлический расчет второго кольца.

Численные значения исходных, нормативных и расчетных параметров сведены в таблицу 4. «Увязка» второго кольца осуществляется при установке диафрагмы.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Справочник по гидравлическим расчетам/Под ред. П.Г, Киселева. – М.: Энергия, 2011

2. Шевелев Ф.А., Шевелев А.Ф. Таблицы для гидравлического расчета водопроводных труб. – М.: Стройиздат, 2007

3. Кульский Л.А. и др. Справочник по свойствам, методам анализа и очистке воды. – Киев: Науковая думка, 1980

4. Справочник по теплогазоснабжению и вентиляции: кн.I/коллектив авторов (Щекин Р.В. и др.). – М.: Эколит, 2012

5. Тихомиров К.В.; Сергеенко Э.С. Теплотехника, тепло - газоснабжение и вентиляции. – М.: Стройиздат, 2007

6. Идельчик И.Е, Справочник по гидравлическим сопротивлениям. – М.: Машиностроение, 1975

7.Гидравлический расчет двухтрубной гравитационной системы отопления: Метод. указания/Сост. В.В. Жизняков, Н.Ю, Волкова, - Н.Новгород: ННГАСУ, 2011