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本章教学目的：掌握水力计算方法本章教学重点：机械循环热水供暖系统管路的水力计算本章教学难点：阻力平衡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,是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、热水供暖系统管路水力计算的基本公式当流体沿管道流动时，由于流体分子间及其与管壁间的摩擦，就要损失能量；而当流体流过管道的一些附件(如阀门、弯头、三通、散热器等)时，由于流动方向或速度的改变，产生局部旋涡和撞击，也要损失能量。前者称为沿程损失，后者称为局部损失。一、热水供暖系统管路水力计算的基本公式ΔP＝ΔPy+ΔPi＝Rl+ΔPiPa式中ΔP——计算管段的压力损失，Pa；ΔPy——计算管段的沿程损失，Pa；ΔPj——计算管段的局部损失，Pa；R——每米管长的沿程损失，Pa／m；l——管段长度，m。在管路的水力计算中，通常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的管路都是由许多串联或并联的计算管段组成的。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。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。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。三、室内热水供暖系统管路水力计算的主要任务和方法1、室内热水供暖系统水力计算的主要任务1）、已知各管道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）、已知各管道流量和管径，确定系统所需的循环作用压力。常用于校核计算，校核水泵扬程是否满足要求。3）、已知各管道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。2、室内热水供暖系统水力计算的方法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25度；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25度。在这个前提下计算各管段流量，进而确定各管段管径。此法简便、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。不等温降法有可能在设计上解决系统的水平失调问题，但设计过程比较复杂。第二节重力循环双管系统管路水力计算方法和例题重力循环双管系统通过散热器环路的循环作用压力的计算公式为()zhfhgfPPPgHPrrD=D+D=-+D式中DP——重力循环系统中，水在散热器冷却所产生的作用压力，Pag——重力加速度，29.81gms=H——所计算的散热器中心与锅炉中心的高差，mhr、gr——供水和回水密度，3kgmfPD——水在循环环路中冷却所产生的附加作用压力，Pa，注意：通过不同立管和楼层的循环环路的附加作用压力fPD是不相同的，应按附录3-2选定。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，计算应由此开始。最不利环路是各并联环路中允许平均比摩组最小的一个环路，如图4-1重力循环异程式双管系统，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I的最底层散热器Il的环路。计算步骤：1．选择最不利环路由图4—1可见，最不利环路是通过立管I的最底层散热器Il(1500W)的环路。这个环路从散热器Il顺序地经过管段①、②、③、④、⑤、⑥，进入锅炉，再经管段⑦、⑧、⑨、⑩、111213141516进入散热器Ⅰ1。2．计算通过最不利环路散热器Il的作用压力ΔPⅠdˊ.3．确定最不利环路各管段的管径d。(1)求单位长度平均比摩阻(2)根据各管段的热负荷，求出各管段的流量(3)根据G、Rpj，查附录表4—1，选择最接近Rpj的管径。选用的Rpj越大，需要的管径越小，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。所以需要确定一个经济比摩阻，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一般为60～120Pa/m。4．确定沿程压力损失5．确定局部阻力损失6．计算求各管段总的压力损失7．确定环路总压力损失8．计算富裕压力值。考虑由于施工的具体情况，可能增加一些在设计计算中未计入的压力损失。因此，要求系统应有10％以上的富裕度。9．确定通过立管Ⅰ第二层散热器环路中各管段的管径。(1)计算通过立管I第二层散热器环路的作用压力(2)确定通过立管I第二层散热器环路中各管段的管径。资用压力是系统在该入户处所能提供的循环压力，即供回水管道的压力差，它是由供热部门供热系统循环泵的扬程大小决定的，也就是外网提供的循环压力。双管系统如果外网提供的压力大于资用压力，就要设置高阻调节的两通阀，单管系统如果外网提供的压力大于资用压力，就要设置低阻调节的调节阀。一般来说，某一管段的沿程阻力和局部阻力之和都可以叫做资用压力。资用压力可以利用的压力，也就是系统所必须提供给用户的克服各种阻力（系统中流体流动阻力）的压力。(3)求通过底层与第二层并联环路的压降不平衡率。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。计算结果如下：（1）通过立管I第三层散热器环路的作用压力（2）管段15、17、18与管段13、14、l为并联管路。通过管段15、17、18的资用压力为（3）管段15、17、18的实际压力损失为459+159．1十119．7＝738Pa。（4）不平衡率x13＝(976—738)／976＝24．4％＞15％因17、18管段已选用最小管径，剩余压力只能用第三层散热器支管上的阀门消除。11．确定通过立管Ⅱ各层环路各管段的管径。作为异程式双管系统的最不利循环环路是通过最远立管I底层散热器的环路。对与它并联的其它立管的管径计算，同样应根据节点压力平衡原理与该环路进行压力平衡计算确定。（1）确定通过立管Ⅱ底层散热器环路的作用压力(2)确定通过立管Ⅱ底层散热器环路各管段管径d。通过该双管系统水力计算结果，可以看出，第三层的管段虽然取用了最小管径(DN15)，但它的不平衡率大于15％。这说明对于高于三层以上的建筑物，如采用上供下回式的双管系统，若无良好的调节装置(如安装散热器温控阀等)，竖向失调状况难以避免。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与重力循环系统相比，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约为10-20kPa，对水平式或较大型的系统，可达20一50kPa。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，按最不利循环环路的平均比摩阻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。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、进行水力计算时应注意：1、如果机械循环室内热水供暖系统入口处的循环作用压力已经确定，可根据入口处的作用压力求出各循环环路的平均比摩阻，进而确定各管段的管径。2、如果系统入口处作用压力较高时，必然要求环路的总压力损失也较高，这会使系统的比摩阻、流速相应提高。对于异程式系统，如果最不利环路各管段比摩阻定得过大，其他并联环路的阻力损失将难以平衡，而且设计中还需考虑管路和散热器的承压能力问题。因此，对于入口处作用压力过大的系统，可先采用经济比摩阻确定各管段管径，然后再确定系统所需的循环作用压力，过剩的入口压力可用调节阀或调节孔板消除。3、在机械循环系统中，循环压力主要是由水泵提供，同时也存在着重力循环作用压力。管道内水冷却产生的重力循环作用压力和水在散热器内冷却产生的作用压力之和，占机械循环总循环压力的比例很小，可忽略不计。4、对机械循环双管系统，一根立管上的各层散热器是并联关系，水在各层散热器冷却所形成的重力循环作用压力不相等，在进行各立管散热器并联环路的水力计算时，应计算各层自然循环的作用压差，不可忽略。5、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，各立管环路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(约相应于采暖平均水温下的作用压力值)。例题4-2计算步骤1．在轴测图上，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3．计算最不利环路各管段的管径推荐平均比摩阻60120pjRPam=来确定最不利环路各管段的管径，室内60120pjRPam=，室外3080pjRPam=主干管应选用比摩阻小些的（数值在下限左右）支管应选用比摩阻大些的（数值在上限左右）这样系统水力稳定性好计算步骤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、散热器的进流系数定义：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与通过该立管水流量的比值，称为散热器的进流系数。1.1122.2121()1()IIldIdIIGGlllla----==+++若已知a及lG值，流入散热器Ⅰ和Ⅱ的水流量分别为IIlGGa=(1)IIIlGGa=-在垂直式顺流系统中，散热器单侧连接时，1.0a=；散热器双侧连接，当两侧支管管径及其长度都相等时，0.5a=；当两侧支管管径及其长度不相等时，两侧散热器的进流系数就不相等。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。对于跨越式系统，立管中部分水量流过跨越管段，只有部分水量进入一侧或两侧散热器。通过跨越管段的水没有被冷却，它与散热器平均水温不同而引起重力循环附加作用压力，它要比顺流式系统大一些。通常根据实验方法确定进流系数。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。1.首先计算通过最远立管Ⅴ的环路。确定出供水干管各个管段、立管Ⅴ和回水总干管的管径及其压力损失。计算方法与例题4-2相同，见水力计算表4-5。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4-6），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。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。通过同程式系统水力计算例题可见，虽然同程式系统的管道金属耗量