供暖系统水力计算.ppt

第四章 供暖系统水力计算 第一节 热水供暖系统管路水力计算基本原理 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。 二.水力计算的原理： 热水供暖系统中，计算管段的总压力损失，可用下式表 示： 计算管段的压力损失，Pa； 计算管段的沿程损失，Pa； 计算管段的局部损失，Pa； 每米管长的沿程损失，Pam 管段长度，m。 （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 Pam （4-1） 式中 管段的摩擦阻力系数； 管道内径，m； 热媒在管道内的流速，m/s； 热媒的密度，kgm3。 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 (Re，) ， ，=Kd Re雷诺数，流动状态的准则数，当Re2320时，流动为层流流 动，当Re2320时，流动为紊流流动； 热媒的运动粘滞系数，/s； K 管壁的当量绝对粗糙度； 管壁的相对粗糙度；其它同前 管壁的当量绝对粗糙度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=0.2mm 室外热水管网管道 K=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。在热水供暖系统中，推荐如下计算公式： a.层流流动 当Re2320时，流动为层流流动状态，值仅取决于Re 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 b.紊流流动 当Re2320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)水力光滑管区 值可用布拉修斯公式计算： 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，可用洛巴耶夫 公 式计算，即 过渡区的范围，可用下式判断： 式中 流动从水力光滑管区转到过渡区的临界速度和 相 应的雷诺数值； 流动从过渡区转到粗糙管区的临界速度和相应 的 雷诺数值； 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DN40的管子，可用更简单的希弗林松公式： 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值，下表列出了水温60、90时，相应于K 0.2mm和K=0.5mm时的过渡区临界速度v1和v2值。 从表中可见，设计室内热水供暖系统时，管中流速一 般在v1和v2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)，设计都采用较高的流 速(通常大于0.5ms)，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。 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管段中的水流量，kgh；其它符号同前。 将式（4-2）的流速v代入式(41)，整理成更方便的计 算 公式： 在给定热媒状态参数及其流动状态的条件下，和值均 为已知，则式（4-1）就表示为R(d，G)的函数式。 只 要已知R、G、d中任意两个数，就可确定第三个数值。 根 据这种关系利用公式（43）而编制出室内热水供暖管 道 水力计算表。 （二）局部损失 计算公式： （三）阻力损失的计算方法 1. 2.当量局部阻力法（动压头法）： 基本原理是将管段的沿程损失转变为等量的局部损失计 算。 这种方法在单管顺流式系统水力计算时用。 3.当量长度法 基本原理是将管段的局部损失折合为沿程损失来计算。 当量长度法一般多用在室外热力网路的水力计算上。 三.水力计算的三种情况： R(d，G) 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)，G d； 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，d P； 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，P G，不等温降法的水力计算， 就是按这种方法进行的。 四.水力计算的一般要求： 1.各种水力计算都是先计算最不利环路（允许的平均比 摩阻最小的环路称为最不利环路，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的计算压力损失相对差额不应 大于15%。 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%的 附加值，以此确定系统必需的循环作用压力。 3.室内热水供暖系统水的允许限定流速： 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 1.2m/s 生产厂房的辅助建筑物 2m/s 生产厂房 3m/s 第二节机械循环单管热水供暖系统管路的水力 计算方法和例题 机械循环系统的作用半径大，其室内热水供暖系统的 总压力损失一般控制在10-20kPa，对水平式或较大型 系统，可达20-50kPa 进行水力计算时，机械循环室内热水供暖系统一般先 设定入口处的资用循环压力，按最不利循环环路的平 均比摩阻Rpj,来选用该环路的各管段管径。当入口处 的资用压力较高，管道流速和系统的实际总压力损失 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（即管径过小），各并联环路的 压力损失势必难以平衡。所以常用控制Rpj值的方法 ，取Rpj=60-120Pa/m选取管径，剩余的资用循环压力 ，用入口处的调压装置节流。 机械循环热水采暖系统作用压头： 机械循环系统中，重力循环作用压力与水泵提供的 循环作用压头相比是很小的在计算最不利环路时可 以忽略。 但它是造成采暖系统竖向失调的重要原因，所以在 各立管散热器并联管路阻力平衡计算时不能忽略。 对机械循环单管系统，如建筑物各部分层数相同时，每根立管 所产生的重力循环作用压力近似相等，可忽略不计；如建筑物 各部分层数不同时，高度和各层热负荷分配比不同的立管之间 所产生的重力循环作用压力不相等，在计算各立管之间并联环 路的压降不平衡率时，应将其重力循环作用压力的差额计算在 内。重力循环作用压力可按设计工况下的最大值的2/3计算（ 约相当于采暖室外平均温度下对应的供回水温度下的作用压力 值）。 例题：如图所示之垂直式单管顺流机械循环热水供暖 系统。确定管路的管径及总压力损失。供水温度95 ，回水温度70，散热器内的数字，表示散热器的热 负荷（W）。楼层高度为3m。系统与外网连接，引入 口处的供回水压差为30kPa(图中只画出系统的一个分 支路）。 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 R pjpj=60-120 =60-120Pa/mPa/m， 3）根据G、 Rpj，查水力计算表，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, Rpj=45.3Pa/m,查表， d=40mm, 用插入法计算出R=116.41Pa/m，v=0.552m/s 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 7） 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压力用调节阀门节流消耗掉。 4.确定其它立管的管径。立管: 1）求立管的资用压力 它与立管为并联环路，即 与管段6、7为并联环路。根据并联环路节点压力平衡 原理， P=（Py+Pj)6、7-（ P-P） = （Py+Pj)6、7 Pa 2)求Rpj 3）选择管径，计算阻力损失、不平衡率 根据G和Rpj，选立管的立支管的管径，取DN1515。计 算 出立管的总压力损失为2941Pa。与立管进行平衡， 不 平衡率为-8.2%。在15%以内，符合要求。 5.立管 立管与58管段并联。同理其资用压力 P=（Py+Pj)5-8=3524Pa，立管管径选用 DN1515。 计算结果立管的总压力损失为2941Pa，不平衡率为 6.5%。 6.立管 立管与49管段并联。计算同理。 不平衡率超出允许值，因已选用最小管径，不可能再用 调 整管径的办法来消耗多余压力。故而采用立管上的阀门 节 流消耗掉，达到阻力平衡的目的。 7.立管 立管与310管段并联。计算同理。 解决水平失调的办法： 1.阀门调节剩余压力：最好是调节阀，或孔板；散热器 温 控阀或与调节阀配合使用。 2.供回水干管采用同程式布置。 3.仍采用异程式系统，采用“不等温降”方法进行水力 计算。 4.仍采用异程式系统，采用首先计算最近立管环路的方 法。 该方法是首先计算通过最近立管环路上各管段的管径。 然 后以最近立管的总压力损失为基准，在允许的不平衡率 范 围内（增加15%），确定最近立管后面的供回水干管和 其 它立管的管径。 第三节机械循环同程式热水供暖系统管路的水力 计算方法和例题 将上题改为同程式系统，管路系统图见下图。供回水温 度 为95/70；系统与外网连接。在引入口处外网的供 回 水压差为30kPa，楼层高为3m。 计算步骤： 1.计算通过最远立管的环路，从而确定出供水干管各 管段、立管和回水总干管的管径及其压力损失。 2.用同样方法通过最近立管的环路，从而确定出立管 和回水干管的管径及其压力损失。 3.求并联环路立管和立管的压力损失不平衡率。使 其限制在5%内。计算系统的总压力损失。 （Py+Pj)1、2、8、9、101410%=10226 Pa 4.绘制出管路压力平衡分析图。 5.由压力平衡分析图求出各立管的供回水节点间的资用 压力值，求出Rpj,根据流量和比摩阻选择管径，计算 压力损失，并求出不平衡率，限制在10%内。 说明： 1.同程式系统的水平失调： 当个别立管供回水节点间的资用压力过小或过大时，说 明 设计不合理，应调整1、2步骤的水力计算，适当改变 个 别供回水干管的管段直径，使之易于选择各立管的管径 ， 并满足并联环路不平衡率的要求。 为此，在水力计算时，管路系统前半部供水