河南城院供热工程课件第4章 室内热水供暖系统的水力计算

第四章

室内热水供暖系统的

水力计算主要内容：

第一节热水供暖系统管路水力计算的基本原理

第二节重力循环双管系统管路水力计算方法和例题

第三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

第四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

第五节不等温降的水力计算原理和方法第一节热水供暖系统管路水力计算的基本原理一、供暖系统管路水力计算的基本公式

1、热水供暖系统中计算管段的压力损失，可用下式表示：

ΔP=ΔPy+ΔPj=Rl+ΔPjPa

2、每米管长的沿程损失（比摩阻），可用流体力学的达西·维斯巴赫公式进行计算：

Pa/m

热媒在管内流动的摩擦阻力系数λ值取决于管内热媒流动状态和管壁的粗糙程度，即：

λ=f（Re，ε）

ε=K/d

摩擦阻力系数λ值是用实验方法确定的。（一）层流流动当Re＜2320时，流动呈层流状态。在此区域内，摩擦阻力系数λ值仅取决于雷诺数Re的值，可按下式计算：λ=64/Re

在热水供暖系统中很少遇到层流状态，仅在重力循环热水供暖系统的个别水流量很小、管径很小的管段落内，才会遇到层流的流动状态。（二）紊流流动当Re＞2320时，流动呈紊流状态。在整个紊流区中，随着Re值的增加，还可以分为水力光滑区、过渡区和粗糙区（阻力平方区）三个区域。1.水力光滑管区摩擦阻力系数λ值可用布拉修斯公式计算，即

λ=0.3164/（Re）0.252.过渡区流动状态从水力光滑管区过渡到粗糙区（阻力平方区）的一个区域称为过渡区。过渡区的摩擦阻力系数λ值，可用洛巴耶夫公式来计算，即

λ=1.42/（lgRe·d/K）2

过渡区的范围，大致可用下式确定

Re1=11d/K或υ1=11ν/Km/s

Re2=445d/K或υ2=445ν/Km/s

3.粗糙管区（阻力平方区）在此区域内，摩擦阻力系数λ值仅取决于管壁的相对粗糙度。粗糙管区的摩擦阻力系数λ值，可用尼古拉兹公式计算

λ=1/[1.14+2lg（d/K）]2

对于管径等于或大于40mm的管子，用希弗林松推荐的、更为简单的计算公式也可得出很接近的数值：

λ=0.11（K/d）0.25

管壁的当量绝对粗糙度K值与管子的使用状况（流体对管壁腐蚀和沉积水垢等状况）和管子的使用时间等因素有关。对于热水供暖系统，根据运行实践积累的资料，目前推荐采用下面的数值：

室内热水供暖系统管路K=0.2mm

对室外热水网路K=0.5mm

室外热水网路（K=0.5mm），设计都采用较高的流速（流速常大于0.5m/s），因此，水在热水网路中的流动状态,大多处于阻力平方区内。

3、室内供暖系统的水流量G，通常以kg/h表示。热媒流速与流量的关系为：

υ=G/（3600ρπd2/4）=G/（900πd2ρ）

式中G——管段的水流量，kg/h。可得出更方便的计算公式

R=6.25×10-8（λ/ρ）（G2/d5）Pa/m

4、管段的局部损失，可按下式计算：

ΔPj=Σζ（ρυ2/2）Pa

式中Σζ——管段中总的局部阻力系数。

二、当量局部阻力法和当量长度法

在实际工程设计中，为了简化计算，也有采用所谓“当量局部阻力法”或“当量长度法”进行管路的水力计算。

1、当量局部阻力法（动压头法）当量局部阻力法的基本原理是将管段的沿程损失转变为局部损失来计算。设管段的沿程损失相当于某一局部损失ΔPj，则

ΔPy=ζd（ρυ2）/2=(λ/d)l（ρυ2）/2

ζd=(λ/d)l

2、当量长度法当量长度法的基本原理是将管段的局部损失折合为管段的沿程损失来计算。如某一管段的总局部阻力系数为Σζ，设它的压力损失相当于流经管段ld米长度的沿程损失，则Σζ（ρυ2）/2=Rld=（λ/d）ld（ρυ2）/2ld=Σζ（d/λ）m三、室内热水供暖系统管路水力计算的主要任务和方法（一）室内热水供暖系统管路水力计算的主要任务，通常为：

1.按已知系统各管段的流量和系统的循环作用压力（压头），确定各管段的管径。

2.按已知系统各管段的流量和各管段的管径，确定系统所必需的循环作用压力（压头）。

3.按已知系统各管段的管径和该管段的允许压降，确定通过该管的水流量。

（二）方法：室内热水供暖管路系统是由许多串联或并联管段组成的管路系统。管路的水力计算从系统的最不利环路开始，也即从允许的比摩阻R最小的一个环路开始计算。由n个串联管段组成的最不利环路，它的总压力损失为n个串联管段压力损失的总和。

当系统的最不利循环环路的水力计算完成后，即可进行其它分支循环环路的水力计算。《暖通规范》规定：热水供暖系统最不利循环环路与各并联环路之间（不包括共同管段落）的计算压力损失相对差额，不应大于±15℃。

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。目前，《暖通规范》规定：最大允许的水流速不应大于下列数值：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。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。第二节

重力循环双管系统管路水力计算方法和例题

[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4-1）。热媒参数：供水温度t`g=95℃，回水温度t`h=70℃。锅炉中心距底层散热器距离为3m，层高为3m。每组散热器的供水支管的供水支管上有一截止阀。解：计算步骤：1.选择最不利环路2.计算通过最不利环路散热器I1的作用压力ΔP`Ⅰ13.确定最不利环路各管段的管径d。4.确定长度压力损失ΔPy=Rl。5.确定局部阻力损失Z6.求各管段的压力损失ΔPj=ΔPy+ΔPj。7.求环路总压力损失8.计算富裕压力值。9.确定通过立管Ⅰ第二层散热器环路中各管段的管径。10.确定通过立管Ⅰ第三层散热器环路上各管段的管径，计算方法与前相同。11.确定通过立管Ⅱ各层环路各管段的管径。局部损失的计算：1、立管与散热器连接供水干管与立管连接回水干管与立管连接2、立管与散热器支管相交时，立管绕散热器支管有一绕弯。3、散热器支管上装截止阀一个。4、立管上、下端各装一个阀门（闸阀、截止阀）。5、三通、四通算在分支管上。6、直径大于32按照煨弯计算，小于或等于32按照弯头计算。均有已字弯第三节

机械循环单管热水供暖系统管路的水力计算方法和例题一、机械循环单管顺流式热水供暖系统管路水力计算例题[例题4-2]确定图4-2机械循环垂直单管顺流式热水供暖系统管路的管径。热媒参数:供水温度t`g=95℃，t`h=70℃。系统与外网连接。在引入口处外网的供回水压差为30kPa。图表4-2表示出系统两个支路中的一个支路。散热器内的数字表示散热器的热负荷。楼层高为3m。[解]计算步骤1．在轴侧图上，与例题4-1相同，进行管段编号，立管编号并注明各管段的热负荷和管长，如图4-2所示。2．确定最不利环路。本系统为异程式单管系统，一般取最远立管的环路作为最不利环路。如图4-2，最不利环路是从入口到立管V。这个环路包括管段1到管段12。3．计算最不利环路各管段的管径4．确定立管Ⅳ的管径5．确定立管Ⅲ的管径6．确定立管Ⅱ的管径7．确定立管Ⅰ的管径

通过机械循环系统水力计算（例题4-2）结果，可以看出：1．例题4-1与例题4-2的系统热负荷、立管数、热媒参数和供热半径都相同，机械循环系统的作用压力比重力循环系统大得多，系统的管径也小得多。2．由于机械循环系统供回水干管的R值选用较大，系统中各立管之间的并联环路压力平衡较难。例题4-2中，立管Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的不平衡百分率超过±15%的允许值。在系统初调节和运行时，只能靠立管上的阀门进行调节，否则例题4-2的异程式系统必然会出现近热远冷的水平失调。如系统的作用半径较大，同时又采用异程式布置管道，则水平失调现象更难以避免。

为避免采用例题4-2的水力计算方法而出现立管之间环路压力不易平衡的问题，在工程设计中，可采用下面的一些设计方法，来防止或减轻系统的水平失调现象。（1）供、回水干管采用同程式布置；（2）仍采用异程式系统，但采用“不等温降”方法进行水力计算；（3）仍采用异程式系统，采用首先计算最近立管环路的方法。

二、散热器的进流系数α

在单管热水供暖系统中，立管的水流量全部或部分地流进散热器。流进散热器的水流量Gs与通过该立管水流量Gl的比值，称作散热器进流系数α，可用下式表示

α=Gs/Gl

影响两侧散热器之间水流量分配的因素主要有两个：一是由于散热器负荷不同致使散热器平均水温不同而产生的重力循环附加作用压力差值；二是并联环路在节点压力平衡状况下的水流量分配规律。根据并联环路节点压力平衡原理，可列出下式：

（R1l1+ΔPj.1）1-Ⅰ-2=（R2l2+ΔPj.2）1-Ⅱ-2Pa或R1（l1+ld.1）1-Ⅰ-2=R2（l2+ld.2）1-Ⅱ-2Pa

如支管d1=d2，并假设两侧水的流动状况相同，摩擦阻力系数λ值近似相等，则根据式（4-14），R与水流量G的平方成正比，式（4-27）可改写为

G2Ⅰ（l1+ld.1）1-Ⅰ-2=G2Ⅱ（l2+ld.2）1-Ⅱ-2

得在通常管道布置情况下，顺流式系统两侧连接散热器支管管径、长度及其局部阻力都相等时，根据式（4-29）可见

αⅠ=αⅡ=0.5

实验表明：跨越式系统散热器的进流系数与散热器支管、立管和跨越管的管径组合情况以及立管中的流量或流速有关。为了增大进入散热器的水流量，可用采用缩小跨越管径的方法。由于跨越管的进流系数比顺流式的小，因而在相同散热器热负荷条件下，流出跨越式系统散热器的出水温度低于顺流式系统。散热器平均水温也低，因而所需的散热器面积要比顺流式系统的大一些。第四节

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[例题4-3]

将例题4-2的异程式系统改为同程式系统。已知条件与例题4-2相同。管路系统图见图4-4。

[解]

计算方法和步骤：1．首先计算通过最远立管Ⅴ的环路。2．用同样方法，计算通过最近立管Ⅰ的环路，从而确定出立管Ⅰ、回水干管各管段的管径及其压力损失。3．求并联环路立管Ⅰ和立管Ⅴ的压力损失不平衡率，使其不平衡率在±5%以内。4．根据水力计算结果，利用图示方法（见图4-5），表示出系统的总压力损失及各立管的供、回水节点间的资用压力值。5．确定其它立管的管径。根据各立管的资用压力和立管各管段的流量，选用合适的立管管径。计算方法与例题4-2的方法相同。6．求各立管的不平衡率。根据立管的资用压力和立管的计算压力损失，求各立管的不平衡率。不平衡率应在±10%以内。第五节

不等温降的水力计算原理和方法

不等温降的水力计算，就是在单管系统中各立管的温降各不相等的前提下进行水力计算。它以并联环路节点压力平衡的基本原理进行水力计算。在热水供暖系统的并联环路上，当其中一个并联支路节点压力损失ΔP确定后，对另一个并联支路（例如对某根立管），预先给定其管