第四章 室内热水供暖系统的水力计算.ppt

1、第四章 室内热水供暖系统的水力计算,室内热水供暖系统的水力计算 室内热水供暖系统通过进行水力计算可以确定系统中各管段的管径，使进入各管段的流量和进入散热器的流量符合要求，进而确定各管路系统的阻力损失。 水力计算应在确定了系统形式、管路布置及散热器选择计算后进行。 水力计算是供暖系统设计计算的重要组成部分，也是设计中的一个难点。,第一节 热水供暖系统管路水力计算的基本原理,一、管路水力计算的基本公式,能量损失有沿程压力损失和局部压力损失两种形式。 沿程压力损失是由于管壁的粗糙度和流体粘滞性的共同影响，在管段全长上产生的损失。 局部压力损失是流体通过局部构件（如三通、阀门等）时，由于流动方向和流速

2、分布迅速改变而引起的损失。,1沿程压力损失,(4-2),实际工程计算中，往往已知流量，则式（4-2）中的流速，可以用质量流量G表示，即,将式（4-3）代入式（4-2）中，经整理后可得,(4-1),(4-3),(4-4),应用式（4-4）时应首先确定沿程阻力系数。与热媒的流动状态和管壁的粗糙度有关，即 （1）层流区 当Re2320时，流体处于层流区，沿程阻力系数是雷诺数Re的函数，即 =64/Re 热水供暖系统由于流速较高，管径较大，流动很少处于层流状态，仅在自然循环热水供暖系统中，个别管径很小（d=15mm）、流速很小的管段，才会出现层流状态 。,（2）紊流区 当Re2320，流体流动就处于紊

3、流区，紊流区中流体运动又有三种形式： 1）紊流光滑区 （室内热水供暖管路，K= 0.2mm；室外热水网路，K= 0.5mm。对于目前热计量系统常用的塑料管材，内壁比较光滑，一般可采用K=0.05mm。） 2）紊流过渡区,3）紊流粗糙区，又叫阻力平方区 当管径大于或等于40mm时，也可以用简单的西夫林松公式确定紊流粗糙区的值，即,在设计热水供暖系统时，我们会发现室内热水供暖系统的流动状态几乎都是处于紊流的过渡区，室外热水供暖系统的流动状态大多处于紊流的粗糙区。,2局部压力损失,局部压力损失可按下式计算：,(4-5),管段的局部阻力系数之和。,3.总损失,二、当量阻力法 当量阻力法是在实际工程中为

4、了简化计算将管段的沿程压力损失折算成相当的局部压力损失的一种方法。也就是假设某一管段的沿程损失恰好相当于某一局部构件处的局部损失，即,(4-6),式中 当量局部阻力系数。,计算管段的总压力损失p可写成,(4-7),(4-8),（4-9）,将式（4-3）代入式（4-9）中，则有,(4-10),设,(4-11),管段的总压力损失,(4-12),S,2,2,三、当量长度法,当量长度法是将局部压力损失折算成沿程压力损失的一种简化计算方法，也就是假设某一段管段的局部压力损失恰好等于长度为Ld的某管段的沿程压力损失，即,(4-13),式中 Ld管段中局部阻力的当量长度（m）。 水力计算的基本公式 Lzh管

5、段的折算长度，m。 当量长度法一般多用于室外热力网路的水力计算上。,(4-14),四、室内热水供暖系统管路的阻力数,热水管路系统中各管段的压力损失和流量分配，取决于各管段的连接方法以及各管段的阻力数。 串联管路 总压降 在串联管路中，管路的总阻力数为各串联管段管路阻力之和。,1 2 3,并联管路 管路总流量等于各并联管路流量之和。 在并联管路上，各分支管段的流量分配与通导数成正比。,1 2 3,五、室内热水供暖系统水力计算的任务和方法,任务： 1）已知各管段的流量和系统的循环作用压力，确定各管段管径。这是实际工程设计的主要内容。 2）已知各管段流量和管径，确定系统所需循环作用压力。常用于校核计

6、算，校核循环水泵扬程是否满足要求。 3）已知各管段管径和该管段的允许压降，确定该管段的流量、常用于校核已有的热水供暖系统各管段的流量是否满足需要。,五、室内热水供暖系统水力计算的任务和方法,方法： 供暖系统水力计算的方法有等温降法和不等温降法。 等温降法就是采用相同的设计温降进行水力计算的一种方法。该方法认为双管系统每组散热器的水温降相同，如低温双管热水供暖系统，每组散热器的水温降都为（95-70）25；单管系统每根立管的供回水温降相同，如低温单管热水供暖系统，每根立管的水温降都为（95-70）25。在这个前提下计算各管段流量，进而确定各管段管径。,五、室内热水供暖系统水力计算的任务和方法,优

7、缺点 : 等温降法简便、易于计算，但不易使各并联环路阻力达到平衡，运行时易出现近热远冷的水平失调问题。 不等温降法在计算垂直单管系统时，将各立管温降采用不同的数值。它是在选定管径后，根据压力损失平衡的要求，计算各立管流量，再根据流量计算立管的实际温降，最后确定散热器的面积。 优缺点:不等温降法有可能在设计角度上解决系统的水平失调问题，但计算过程比较复杂。,等温降法的计算步骤:,1）根据已知温降，计算各管段流量。,(4-15),2）根据系统的循环作用压力，确定最不利环路的平均比摩阻Rpj 。,(4-16),如果系统的循环作用压力暂时无法确定，平均比摩阻Rpj也就无法计算，这时可选用一个比较合适的

8、平均比摩阻Rpj来确定管径。选用的比摩阻Rpj值越大，需要的管径越小，这虽然会降低系统的基建投资和热损失，但系统循环水泵的投资和运行电耗会随之增加。这就需要确定一个经济的比摩阻Rpj，使得在规定的计算年限内总费用为最小。机械循环热水供暖系统推荐选用的经济平均比摩阻Rpj一般为 60120Pa/m。,3）根据经济平均比摩阻Rpj和各管段流量G，查附录选出最接近的管径d，确定该管径下管段的实际比摩阻Rpj和实际流速。 4）计算确定各管段的沿程压力损失py。 5）确定各管段的局部阻力系数，计算确定各管段的局部压力损失pj。 6）确定系统总的压力损失。 7）流速的要求。根据比摩阻确定管径时，应注意管中

9、的流速不能超过规定的最大允许流速，流速过大流体在管中流动时会产生噪声。暖通规范规定的最大允许流速：民用建筑为1.2m/s；生产厂房的辅助建筑为2m/s；生产厂房为3m/s。,应用等温降法计算时应注意：,1）如果系统未知循环作用压力，可在计算出的总压力损失之上附加 10确定必需的循环作用压力。 2）各并联循环环路应尽量做到阻力平衡，以保证各环路分配的流量符合设计要求。,第二节 重力（自然）循环双管供暖系统水力计算,一、自然循环热水供暖系统水力计算,例4-1 图示为自然循环双管异程式热水供暖系统两大并联环路的右侧环路。热媒参数为：供水温度95，回水温度70。锅炉中心距底层散热器中心的距离为3m，建

10、筑物层高为3m。每组散热器的供水支管上设有一个截止阀。 图中已标出各组散热器的热负荷（W），立管编号。圆圈内的数字表示管段号，管段号旁的数字上行的数字表示该管段的热负荷（W），下行数字表示该管段的长度（m）。各管段的热负荷是根据节点流量变化的规律确定的。试进行各管段的水力计算。,解 1最不利循环环路的计算,（1）选择最不利循环环路 最不利环路是各并联环路中允许平均比摩阻最小的一个环路。对于图示的自然循环双管异程式系统，因所有立管上对应各层散热器的中心至锅炉中心的垂直距离都相等，所以最不利环路就是环路总长度最长的立管N5第一层散热器环路。该环路包括14管段。 （2）确定立管N5第一层散热器环路的

11、综合作用压力，确定最不利环路的综合作用压力。,最不利环路第一层散热器环路的作用压力（忽略管路中水温降）根据下式计算。,水在管路中冷却产生的附加压力。根据已知条件，三层楼房明装立管不保温，立管N5至锅炉的水平距离在2550m范围内，散热器中心至锅炉中心垂直高度小于15m，自总立管至计算立管之间的水平距离在2030m的范围内。查附录 ，最不利循环环路水冷却产生的附加压力为300Pa。,根据供回水温度，查附录，得 h=977.81 kg/m3 g=961.92 kg/m3,因此最不利环路立管N5第一层散热器环路的综合作用压力为:,（3）确定立管N5第一层散热器环路的平均比摩阻 根据式（4-16），最

12、不利循环环路的平均比摩阻,最不利环路的总长度L=77.8 m,自然循环热水供暖系统沿程损失占总损失的百分数，查附录，=50 。,（4）管段流量G的确定 由式（4-15），计算各管段流量。,管段：热负荷Q=2000W，流量,依次计算将最不利环路14管段的流量列入表4-1中。,（5）管径的确定,根据各管段流量G和平均比摩阻Rpj，查附录确定接近Rpj的管径。,管段：G68.8kg/h，选用管径DN20。 当G=68.0 kg/h时， R=3.66Pa/m，=0.05m/s； G=70kg/h时， R=3.85Pa/m， =0.06m/s。 用内差法求得当G=68.8 kg/h时，实际比摩阻Rsh=

13、3.74Pa/m， 实际流速 0.05m/s 最不利环路其他管段的计算结果见表4-1。,（6）确定各管段的沿程压力损失 沿程压力损失py=RL，各管段的沿程压力损失值见表4-1。,（7）确定各管段的局部压力损失,1）列出各管段的局部阻力名称，查附录确定各管段的局部阻力系数，列于表4-2中。应注意，统计局部阻力时，应将三通和四通管件的局部阻力列于流量较小的管段上。,2）根据各管段流速，查附录确定动压头 ，列入表4-1中。,3）计算局部压力损失。,根据式,计算各管段局部压力损失，列于表4-1中。,（8）求最不利环路各管段的总压力损失,根据,计算各管段的压力损失；填入表4-1中。,（9）求最不利环路

14、的总压力损失,（10）计算富裕压力 根据阻力平衡的要求，作用压力应完全消耗在克服环路的总阻力上，但实际计算时，要求作用压力应留有10左右的富裕压力作为安全余量，用来考虑设计时未预计的阻力、施工误差和管道结垢等因素的影响。,富裕压力可按下式计算,本例中富裕压力,符合要求。,2进行立管N5第二层散热器环路各管段的水力计算,（1）确定立管N5第二层散热器环路的综合作用压力PZh2。,（2）计算立管N5第二层散热器环路的平均比摩阻 立管。管段15、16与最不利环路的管段、14是并联关系。根据阻力平衡的原则，管段15、16的资用压力为,管段15、16的长度为5m，平均比摩阻为,（3）计算管段15、16流

15、量，确定各管段管径和相应的实际比摩阻Rsh、实际流速SH 计算结果见表4-1。,（4）计算各管段沿程压力损失 计算结果见表4-1。,（5）计算各管段局部压力损失 计算结果见表4-1,（6）计算管段15、16的总压力损失,（7）计算立管N5第一层散热器环路与第二层散热器之间的不平衡率,“暖通规范”规定，异程式热水供暖系统各并联环路之间（不包括共用段）的计算压力损失相对差额不应大于15。,管段15、16与最不利环路管段、14之间的不平衡率为,符合要求。,3进行立管N5第三层散热器环路各管段的水力计算,（1）确定立管N5第三层散热器环路的综合作用压力PZh3,（2）计算立管N5第三层散热器环路的平均

16、比摩阻 立管N5第三层散热器环路由管段12、15、17、18组成，不包括共用管段，管段15、17、18与最不利环路的管段、13、14是并联关系。根据阻力平衡的原则，管段17、18的资用压力为,管段17、18的长度为5m，平均比摩阻为,（3）计算管段17、18流量，确定各管段管径和相应的实际比摩阻Rsh、实际流速SH 计算结果见表4-1。,（5）计算各管段局部压力损失 计算结果见表4-1。,（4）计算各管段沿程压力损失 计算结果见表4-1。,（6）计算管段17、18的总压力损失,（7）计算立管N5第一层散热器环路与第三层散热器之间的不平衡率,不平衡率为,不符合要求。因管段17、18已选用最小管径，剩余压力只能靠第三层散热器支管上的阀门消除。,具体计算结果见表4-1。,4.立管第一层散热器环路各管段的水力计算,该自然循环双管异程式系统，因所有立管上对应各层散热器的中心至锅炉中心的垂直距离都相等，所以最不利环路就是环路总长度最长的立管N5第一层散热器环路，对于与它并联的其他立管环路的水力计算，也应根据节点压力平衡的原则进行计算。,（1）确定立管N4第一层散热器环路的综合