Obliczenia hydrauliczne instalacji centralnego ogrzewania.pdf

dr inż. Michał Strzeszewski

Politechnika Warszawska

Wydział Inżynierii Środowiska

Zakład Klimatyzacji i Ogrzewnictwa

Obliczenia hydrauliczne

instalacji centralnego ogrzewania

Materiały do zajęć z ogrzewnictwa v. 0.91 (beta) – 25.05.2010 r.

Spis treści:

1 Wprowadzenie............................................................... 2

2 Pojęcia podstawowe ...................................................... 3

3 Obliczeniowy strumień wody ....................................... 3

4 Dobór pompy obiegowej............................................... 3

5 Ciśnienie czynne w obiegu............................................ 5

6 Określanie oporów hydraulicznych działek .................. 5

7 Opory liniowe................................................................ 5

8 Opory miejscowe .......................................................... 8

9 Opór hydrauliczny obiegu........................................... 13

10 Zasady równoważenia hydraulicznego ....................... 13

11 Minimalny opór działki z grzejnikiem ........................ 14

12 Autorytet zaworu termostatycznego ........................... 14

13 Dobór średnic przewodów .......................................... 15

14 Prędkości przepływu ................................................... 16

15 Dławienie nadmiaru ciśnienia ..................................... 17

16 Opór hydrauliczny grzejników.................................... 19

17 Opór hydrauliczny rozdzielaczy ................................. 21

Literatura.......................................................................... 24

Michał Strzeszewski: Obliczenia hydrauliczne instalacji centralnego ogrzewania

1 Wprowadzenie

Projektowanie sieci przewodów polega na dobraniu średnic przewodów i elementów regula-

cyjnych w celu:

zapewnienia odpowiedniego rozdziału czynnika grzejnego do poszczególnych grzej-

ników,

zapewnienia stateczności cieplnej i hydraulicznej instalacji,

optymalizacji kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych.

Aby poszczególne grzejniki mogły osiągnąć wymaganą moc przy założonym spadku tempe-

ratury (np. 20K), niezbędne jest zapewnienie dla każdego grzejnika odpowiedniego strumie-

nia masowego wody. Warunek ten realizuje się poprzez odpowiednie wyregulowanie instala-

cji w warunkach projektowych (regulacja wstępna).

W ogólnym przypadku wyróżnia się:

regulację wstępną,

regulację eksploatacyjną.

Regulacja wstępna (zwana czasami również regulacją montażową lub trwałą) ma na celu

zapewnienie odpowiednich strumieni masowych wody w poszczególnych odcinkach przewo-

dów w warunkach projektowych.

Regulacja eksploatacyjna (zwana również regulacją bieżącą) to ciągłe dostosowywanie mo-

cy ogrzewania do chwilowych potrzeb cieplnych.

Regulację wstępną można przeprowadzić:

w sposób obliczeniowy,

w sposób pomiarowy.

W Polsce przeważa sposób obliczeniowy, polegający na ustaleniu przez projektanta odpo-

wiednich nastaw na zaworach regulacyjnych. Następnie wykonawca ustawia dobrane nastawy

na poszczególnych zaworach.

Natomiast w przypadku metody pomiarowej, projektant ustala wymagane przepływy, a na-

stępnie wykonawca w taki sposób operuje zaworami regulacyjnymi, aby uzyskać wymagane

przepływy. W tym przypadku konieczne jest stosowanie odpowiedniej armatury, umożliwia-

jące przeprowadzenie pomiarów przepływów.

Poglądowo można powiedzieć, że celem regulacji wstępnej jest „sprawiedliwy” rozdział

czynnika. Przy czym „sprawiedliwy” oznacza tu: „każdemu (grzejnikowi) wg potrzeb”. Tzn.

większy grzejnik, który ma za zadanie dostarczać więcej ciepła, powinien otrzymać większy

strumień niż grzejnik mniejszy.

Jeśli regulacja wstępna nie zostanie przeprowadzona, to strumienie wody, dopływające do

poszczególnych grzejników będą przypadkowe, a w konsekwencji również ich moce i spadek

temperatury będą się różniły od wartości projektowych. Brak regulacji wstępnej może co

prawda do pewnego stopnia być kompensowany przez regulację eksploatacyjną (np. termo-

staty grzejnikowe), ale obniża to znacznie jakość regulacji eksploatacyjnej. Mniej groźny jest

zbyt duży strumień, który może być zdławiony przez zawór grzejnikowy. Natomiast w przy-

padku strumienia zbyt małego spada moc grzejnika, a zawór grzejnikowy, nawet przy pełnym

otwarciu, nie jest w stanie nic „pomóc”. Generalnie instalacja nie wyregulowana wstępnie,

nawet jeśli działa w sposób akceptowalny dla użytkownika, to jednak zazwyczaj oznacza gor-

Michał Strzeszewski: Obliczenia hydrauliczne instalacji centralnego ogrzewania

szą jakość dostawy ciepła (moce grzejników nie są dostosowane do chwilowych potrzeb

cieplnych) oraz może prowadzić do niepotrzebnego wzrostu kosztów ogrzewania.

2 Pojęcia podstawowe

Działka – odcinek przewodu o stałej średnicy wraz z zamontowanymi na nim urządzeniami,

przez który płynie jednakowa ilość wody.

Czyli działki to odcinki przewodów pomiędzy trójnikami lub czwórnikami (w stali). Jeżeli

w instalacji istnieją pary analogicznych działek na zasilaniu i powrocie (instalacja symetrycz-

na), odpowiednie pary działek można traktować łącznie. Dzięki temu zmniejsza się znacznie

ilość działek. W takim przypadku należy pamiętać, aby w obliczeniach uwzględnić łączną

długość działek.

Obieg – zespół przewodów, którymi woda przepływa od źródła ciepła do grzejnika i z powro-

tem wraz z zamontowanymi urządzeniami.

W skład obiegu wchodzą :

źródło ciepła (kocioł, wymiennik ciepła),

grzejnik,

przewody łączące źródło ciepła z grzejnikiem.

Obieg najbardziej niekorzystny – obieg w którym opory hydrauliczne przed zdławieniem

nadmiarów ciśnienia są największe.

W instalacjach pionowych często najniekorzystniejszy jest obieg przez najniżej zainstalowany

grzejnik, znajdujący się w najdalszym pionie w stosunku do źródła ciepła.

3 Obliczeniowy strumień wody

Strumień wody wymagany przez poszczególne grzejniki w warunkach projektowych oblicza

się w następujący sposób:

G 

ogrz



 kg/s

(1)





gdzie:

Q ogrz – obliczeniowa moc cieplna grzejnika nie uwzględniająca zysków ciepła, W,

c w – ciepło właściwe wody, w przybliżeniu 4186 J/kgK,

t z – obliczeniowa temperatura wody zasilającej instalację, ºC,

t p – obliczeniowa temperatura wody powracającej z instalacji, ºC.

Powyższe równanie stosuje się również dla działek wspólnych (dostarczających wodę do

większej ilości grzejników). Jako moc cieplną podstawia się wtedy sumę mocy wszystkich

zaopatrywanych grzejników (tzw. obciążenie cieplne działki).

4 Dobór pompy obiegowej

W celu doboru pompy należy ustalić dwie wielkości:

wymaganą wydajność,

oraz orientacyjną wysokość podnoszenia.

Michał Strzeszewski: Obliczenia hydrauliczne instalacji centralnego ogrzewania

Wymagana wydajność pompy obiegowej:

Q V





inst

(2)













gdzie:

Q ins – obliczeniowa moc cieplna instalacji, W,

c w – ciepło właściwe wody, w przybliżeniu 4186 J/kgK,

t z – obliczeniowa temperatura wody zasilającej instalację, ºC,

t p – obliczeniowa temperatura wody powracającej z instalacji, ºC,

 – gęstość wody płynącej przez pompę, tzn. gęstość dla temperatury zasilania lub

powrotu w zależności od lokalizacji pompy, kg/m 3 .

Orientacyjna wysokość podnoszenia pompy:





 L

H zc





100



250





(3)





gdzie:

 p z c – opór źródła ciepła, np. opór wymiennika ciepła po stronie instalacyjnej, Pa,

 L – suma długości działek w najbardziej niekorzystnym obiegu, m,

 – gęstość wody płynącej przez pompę, kg/m 3 .

Następnie należy dobrać pompę, której charakterystyka pozwoli na spełnienie powyższych

wymagań (rys. 1) . Dobierając pompę należy w miarę możliwości zapewnić, aby punkt pracy

znajdował się w zalecanym obszarze, dzięki czemu pompa będzie osiągać wysoką sprawność.

W przypadku pomp, które posiadają kilka biegów, należy również wskazać bieg, na którym

pompa ma pracować.

zalecany obszar pracy

H p

H p,or

charakterystyka pompy

V p

Q, m /h

Rys. 1.

Wyznaczenie punktu pracy pompy obiegowej

Kolejnym krokiem jest ustalenie wysokości podnoszenia dobranej pompy dla wymaganej

wydajności. Wysokość ta będzie następnie podstawą równoważenia hydraulicznego instalacji.

Alternatywnie możliwe jest wcześniejsze zaprojektowanie instalacji, a następnie dobranie do

niej odpowiedniej pompy, ale jest to zazwyczaj metoda mniej dokładna.

Michał Strzeszewski: Obliczenia hydrauliczne instalacji centralnego ogrzewania

5 Ciśnienie czynne w obiegu

Ciśnienie czynne – ciśnienie powodujące przepływ wody w obiegu.

W instalacjach pompowych w obiegu działa zarówno ciśnienie wytworzone przez pompę, jak

i ciśnienie grawitacyjne, wywołane różnicą gęstości wody w przewodach powrotnych i zasila-

jących.

Przy czym w przypadku regulacji jakościowej instalacji, ciśnienie grawitacyjne jest zmienne

w ciągu sezonu grzewczego. W związku z tym zaleca się przyjmowanie do obliczeń 75%

wartości maksymalnej ciśnienia grawitacyjnego.

Obliczeniowe ciśnienie wytwarzane przez pompę:



po Hp









(4)

gdzie:

H p – wysokość podnoszenia dobranej pompy, m,

 – gęstość pompowanej wody, kg/m 3 .

Ciśnienie czynne w obiegu:







pp z







0 h











(5)

gdzie:

 p – gęstość wody o temperaturze powrotu, kg/m 3 ,

 z – gęstość wody o temperaturze zasilania, kg/m 3 ,

h – różnica wysokości między środkiem grzejnika i środkiem źródła ciepła, m.

Współczynniki 1,1 w równaniu (2) oraz 0,9 we wzorze (4) uwzględniają, fakt że pompa

(zwłaszcza po dłużej pracy w instalacji) może nie spełniać charakterystyki katalogowej. Nie-

które źródła literaturowe [1, 9] nie zalecają stosowania tych współczynników. Jednak z uwagi

na to, że katalogowe charakterystyki pomp nie są gwarantowane przez producentów, w ni-

niejszym opracowaniu zachowano te współczynniki korygujące.

6 Określanie oporów hydraulicznych działek

Opór hydrauliczny działki jest to suma oporów liniowych i miejscowych:



p dz







(6)

gdzie:

R – jednostkowa liniowa strata ciśnienia w przewodzie, Pa/m,

L – długość działki, m,

Z – straty ciśnienia wywołane przez opory miejscowe, Pa.

7 Opory liniowe

Jednostkowe straty liniowe można określić ze wzoru:

 w







Pa/m

(7)

gdzie:

 – współczynnik oporów liniowych, zależny od średnicy i chropowatości przewodu

oraz od prędkości przepływającego czynnika,

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: