室内热水供暖系统的水力计算课件.pptx
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1、Chap4室内热水系统水力计算第一节热水供暖系统管路水力计算的基本原理一.水力计算的目的:选择适当的管径,使系统中各管段的水流量符合设计要求,以保证流进各散热器的水流量符合要求。进而确定出各管路系统的阻力损失。第1页/共55页二、热水供暖系统管路水力计算的基本公式 供暖系统中计算管段的压力损失,可用下式表示:Pal式中计算管段的压力损失,Pa;l计算管段的沿程损失,Pa;l计算管段的局部损失,Pa;l每米管长的沿程损失,Pa/m;l管段长度,m。Chap4室内热水系统水力计算第2页/共55页(一)沿程损失 在管路的水力计算中,把管路中水流量和管径都没有改变的一段管子,称为一个计算管段任何一个热
2、水供暖系统都是由许多串联与并联的计算管段组成每米管长的沿程损失(也称为比摩阻,比压降)。其值可用流体力学中的达西维斯巴赫公式进行计算 式中 管段的摩擦阻力系数;管道内径,m m;热媒在管道内的流速,m/sm/s;热媒的密度,kgkgm m3 3。Chap4室内热水系统水力计算第3页/共55页1.1.值的确定:摩擦阻力系数,取决于热媒在管道内的流动状态和管壁的粗糙程度,即 ,=K=Kd d Re Re 雷诺数,流动状态的准则数,当Re2320Re2320时,流动为层流流动,当ReRe23202320时,流动为紊流流动;热媒的运动粘滞系数,/s s;K K管壁的当量绝对粗糙度;管壁的相对粗糙度;其
3、它同前Chap4室内热水系统水力计算第4页/共55页 管壁的当量绝对粗糙度K K与管子的使用情况(流体对管壁的腐蚀和沉积水垢等),和管子使用时间等因素有关。对于热水供暖统,推荐采用下列数值:室内热水供暖系统管道 K=0.2mmK=0.2mm室外热水管网管道 K=0.5mmK=0.5mm 摩擦阻力系数值是用实验方法确定的。根据实验数据整理的曲线,按照流体的不同流动状态,可整理出计算值的公式。Chap4室内热水系统水力计算a.a.层流流动 当Re2320Re2320时,流动为层流流动状态,值仅取决于ReRe值。在自然循环热水供暖系统的个别水流量很小、管径很小的管段内,可出现层流的流动第5页/共55
4、页b.b.紊流流动 当ReRe23202320时,流动为紊流流动。在该区内,又分为水力光滑管区、过渡区及粗糙管区(阻力平方区)。1)1)水力光滑管区 值仅取决于ReRe值,可用布拉修斯公式计算2)2)过渡区 流动状态从水力光滑管区过渡到粗糙管区(阻力平方区)的一个区域,称为过渡区该区的摩擦阻力系数值,取决于ReRe 和,可用洛巴耶夫公式计算过渡区的范围,可用下式确定:Chap4室内热水系统水力计算第6页/共55页3)3)粗糙管区(阻力平方区)该区的摩擦阻力系值仅取决于管壁的相对粗糙度,用尼古拉兹公式计算对于管径DNDN4040可用更简单的希弗林松公式:对整个湍流区的摩擦阻力系数值也可采用统一公
5、式计算。常用的有柯列勃洛克公式和阿里特苏里公式。Chap4室内热水系统水力计算第7页/共55页 根据过渡区范围的判别式和推荐使用的当量绝对粗糙度K K值,下表列出了水温6060、9090时,相应于K K0.2mm0.2mm和K=0.5mmK=0.5mm时的过渡区临界速度v v1 1和v v2 2值。设计室内热水供暖系统时,管中流速一般在v v1 1和v v2 2值之间。因此,热水在室内供暖系统管路内的流动状态,几乎都处在过渡区内。室外热水供热管网(K=0.5mm)K=0.5mm),设计都采用较高的流速(通常大于0.50.5m ms)s),因此,水在室外热水管网中的流动状态,大多处于阻力平方区内
6、。流速(m/s)水温t=60C水温t=90CK=0.2mmK=0.5mmK=0.2mmK=0.5mm20.0261.0660.010.4260.0180.7250.0070.290Chap4室内热水系统水力计算第8页/共55页2.2.水力计算表:管道内的流速、流量和管径的关系表达式为:式中 G G管段中的水流量,kgkgh h;其它符号同前。将流速v v代入比摩阻计算公式4-3,可整理成更方便的计算公式Chap4室内热水系统水力计算第9页/共55页 在给定热媒状态参数及其流动状态的条件下,为已知,管路水力计算基本公式可表示为R R(d(d,G)G)的函数式。只要已知R R、G G、d d中任意
7、两个数,就可确定第三个数值。根据这种关系利用公式(4 41414)而编制出室内热水供暖管道水力计算表。附录4-14-1给出了室内热水供暖系统的管路水力计算表。Chap4室内热水系统水力计算第10页/共55页(二)局部阻力损失计算公式:-计算管段中局部阻力系数之和,由实验确定热水及蒸汽供暖系统各种管道附件局部阻力系数可查附录4-2(三)当量局部阻力系数法和当量长度法1.1.当量局部阻力系数法(动压头法):将沿管道长度的摩擦阻力损失折算成与之相当的局部阻力 Chap4室内热水系统水力计算第11页/共55页2.2.当量长度法:将管段的局部阻力损失折合为沿程阻力损失 管段中局部阻力的当量长度 管段的折
8、算长度Chap4室内热水系统水力计算第12页/共55页串联管路并联管路室内热水供暖系统管路的阻力数室内热水供暖系统管路的阻力数基尔霍夫流量定律:连续性规律基尔霍夫压降定律:并联环路压力损失相等定律第13页/共55页Chap4室内热水系统水力计算水力计算的任务和方法一、水力计算的主要任务:R R(d(d,G)G)1.1.已知系统各管段的流量和系统的作用压头,确定各管段的管径;P(R)P(R),G dG d;2.2.已知系统各管段的流量和各管段的管径,确定系统所需的作用压头;G G,d d P P;3.3.已知系统各管段的管径和允许阻力损失,确定各管段的流量;d d,P GP G,不等温降法的水力
9、计算,就是按这种方法进行的。第14页/共55页Chap4室内热水系统水力计算二、水力计算的方法1.1.等温降水力计算方法(阻力平衡法):预先规定各立管或散热器的水温降,系统中各立管温度降相同简便简便、常用。易出现并联环路间阻力不平衡的现象、常用。易出现并联环路间阻力不平衡的现象最不利环路:最不利环路:允许平均比摩阻最小的环路允许平均比摩阻最小的环路最不利环路经济比摩阻:最不利环路经济比摩阻:60120Pa沿程阻力占总阻力损失的百分比:附录沿程阻力占总阻力损失的百分比:附录4-8第15页/共55页2 2.不等温降水力计算方法(流量分配法):在各立管温降不相等的前提下计算计算方法:最适用于异程式垂
10、直单管系统。更符合实际运行过程最适用于异程式垂直单管系统。更符合实际运行过程假设最远立管温降,根据允许压损或经济比摩阻,确定最假设最远立管温降,根据允许压损或经济比摩阻,确定最远立管环路管径及压损,对其他并联环路,根据压力平衡远立管环路管径及压损,对其他并联环路,根据压力平衡原则,在确定管径条件下计算实际流量及温度降原则,在确定管径条件下计算实际流量及温度降Chap4室内热水系统水力计算第16页/共55页三、水力计算的一般要求1.1.各种水力计算都是先计算最不利环路(一般情况下是从热源到最远立管所在的环路为最不利环路),然后再进行其它分支环路的水力计算,最后计算的结果,最不利环路与并联环路之间
11、的计算压力损失相对差额不应大于 15%15%。或按照双管异程系统相对差额不大于25%;同程系统不大于15%;单管异程系统 不大于15%;单管同程系统:不大于10%。2.2.总压力损失附加值:整个热水供暖系统总的计算压力损失,宜增加10%10%的附加值,以此确定系统必需的循环作用压力。3.3.室内热水供暖系统水的允许限定流速(表4-34-3):在实际设计过程中,为了平衡各并联环路的压力损失,往往需要提高近循环环路分支管段的比摩阻和流速,但流速过大会使管道产生噪声。所以近环环路的立、支管内的水流速也不应大于下列数值:民用建筑 1.1.5m/s5m/s;生产厂房的辅助建筑物 2 2m/sm/s;生产
12、厂房 3 3m/sm/s4.4.室内热水采暖系统阻力损失确定原则:根据经济比摩阻(资用压头)和室内外管网平衡要求确定。系统损失参考值:简单直连1 12mH2mH2 2O O;混合连接1.51.52mH2mH2 2O O;间接连接2 25mH5mH2 2O OChap4室内热水系统水力计算第17页/共55页5.5.机械循环热水采暖系统需计入散热器水冷却产生的自然循环压力,自然循环压力宜按设计供回水温度条件下自然循环压力的2/32/3计算6.6.热水采暖系统供回水干管末端和回水干管始端的管径不宜小于DN20DN207.7.采暖系统各并联环路应设置关闭和调节装置;多层和高层建筑的热水采暖系统中,每根
13、立管和分支管道的始末段均应设置调节、检修和泄水用阀门Chap4室内热水系统水力计算第18页/共55页第二节 重力(自然)循环双管系统水力计算【例题4-1】确定重力循环双管热水供暖系统管路的管径(见图4-7)。热媒参数:供水温度95,回水温度70。锅炉中心距底层散热器中心距离为3m,层高为3m。每组散热器的供水支管上有一截止阀。Chap4室内热水系统水力计算第19页/共55页计算步骤:计算步骤:1.在轴测图上,管段编号,立管编号,并注明各管段的热负荷和管长。2.确定最不利环路。重力循环异程式双管系统的最不利循环环路是通过最远立管底层散热器的循环环路,由图4-7可见,最不利环路是通过立管的最底层散
14、热器(1500W)的环路,该环路为管段18。3.计算最不利环路散热器的作用压力P1=gH(h-g)+Pf=818Pa4.确定最不利环路各管段的管径1)计算单位长度平均比摩阻Rpj 根据公式Rpj=P1/L1=3.84Pa/m2)根据各管段的热负荷计算各管段流量Chap4室内热水系统水力计算第20页/共55页Chap4室内热水系统水力计算3)根据G、Rpj,查附录4-1,选择最近接Rpj的管径。将结果列在计算表中5.确定沿程阻力损失6.计算局部阻力损失注:在统计局部阻力时,对于三通和四通管件的局部阻力系数,应列在流量较小的管段上7.求各管段的阻力损失8.求环路总阻力损失9.计算富裕压力值考虑由于
15、施工的具体情况,可能存在设计中未计入的阻力损失,因此,要求系统应有10%以上的富裕度。10.确定通过立管第二层散热器环路中各管段的管径1)计算通过第二层散热器环路的作用压力第21页/共55页Chap4室内热水系统水力计算2)确定通过第二层散热器环路中各管段的管径a.求平均比摩阻。根据并联环路节点平衡原理,通过第二层16、15管段的作用压力为b.按前述同样方法,根据16、15管段的流量及平均比摩阻,确定管段的管径及相应的实际比摩阻、流速等,并求出阻力损失524Pa3)求通过底层与第二层并联环路的压降不平衡率此相对差额在此相对差额在15%的允许范围,若超出的允许范围,若超出则则14、1可选用较小管
16、径,或剩余压力用设可选用较小管径,或剩余压力用设在第二层散热器支管上的阀门消除在第二层散热器支管上的阀门消除11.确定通过立管确定通过立管各层环路各管段的管径各层环路各管段的管径计算方法与前相同,根据并联计算方法与前相同,根据并联环路节点环路节点平衡原理确定各作用压力平衡原理确定各作用压力161514第22页/共55页第三节 机械循环单管顺流系统水力计算 与重力循环系统相比,机械循环系统的作用半径大,传统的室内热水供暖系统的总压力损失一般约为1020kPa;对于分户采暖等水平式或大型的系统可达2050kPa。传统的采暖系统进行水力计算时,机械循环室内热水供暖系统多根据入口处的资用循环压力,按最
17、不利循环环路的平均比摩阻Rpj来选用该环路各管段的管径。当入口处资用压力较高时,管道流速和系统实际总压力损失可相应提高。但在实际工程设计中,最不利循环环路的各管段水流速过高,各并联环路的压力损失难以平衡,所以常用控制Rpj值的方法,按经济比摩阻Rpj=60120Pa/m选取管径。剩余的资用循环压力,由入口处的调压装置节流。Chap4室内热水系统水力计算第23页/共55页【例题4-2】确定图4-9机械循环垂直单管顺流异程式热水供暖系统管路的管径。热媒参数:供水温度95,回水温度70。系统与外网连接。在引入口处外网的供回水压差为30kPa。图4-9表示出系统两个支路中的一个支路。散热器内的数字表示
18、散热器的热负荷。楼层高为3m。Chap4室内热水系统水力计算第24页/共55页Chap4室内热水系统水力计算第25页/共55页Chap4室内热水系统水力计算计算步骤:1.在轴测图上,进行管段编号,立管编号,并注明各管段的热负荷和管长。2.确定最不利环路。该环路为管段112。3.计算最不利环路1)计算Rpj 由于引入口处外网的供回水压差较大。考虑系统中各环路的压力损失易于平衡,用推荐的平均比摩阻 来确定最不利环路各管段的管径。2)根据公式计算流量,并填入水力计算表中。R Rpjpj=60-120=60-120Pa/mPa/m,第26页/共55页Chap4室内热水系统水力计算3)根据G、Rpj,查
19、水力计算表,选择接近Rpj的管径,查出d、R、v列入表中。例如管段1,Q=74800W,则根据G=2573kg/h,查表,d=40mm,用插入法计算出R=116.41Pa/m,v=0.552m/s第27页/共55页Chap4室内热水系统水力计算4)计算沿程阻力5)计算局部阻力根据系统中实际局部管件的情况,列出各管段局部管件名称,由附录表4-2查得各管段的局部阻力系数值,列入表中。注意三通、四通局部阻力系数应列在流量较小的管段上。根据流速v由附录表4-3查得动压头Pd=v2/2值,根据上式计算局部阻力,列入计算表中。6)求各管的阻力P P7)求最不利环路的总压力损失(总阻力)入口处的剩余循环作用
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