29. Obliczenia hydrauliczne sieci cieplnych. Określanie średnic przewodów i strat ciśnienia

Obliczenia hydrauliczne sieci cieplnych mają na celu:

• określenie średnic przewodów,

• wyznaczanie zdolności przepustowej sieci,

• określenie strat ciśnienia,

• wyrównanie strat ciśnienia w odrębnych częściach sieci.

Istnieją dwie podstawowe metody wykonywania obliczeń hydraulicznych:

• przy zadanej (wskazanej) wartości jednostkowego spadku ciśnienia R,

Przy zadanej wartości jednostkowego spadku ciśnienia R wyróżnić można dwa warianty postępowania:

• Przypadek, gdy wiadoma jest dyspozycyjna różnica ciśnień w punkcie podłączenia do sieci cieplnej ∆p _dysp [m H2O].

[daPa/m]

Gdzie:

Σl - Sumaryczna długość przewodów magistrali

a (przeciętne 10-15%) - średni statystyczny udział miejscowych strat ciśnienia

∆podb [m H2O] - straty ciśnienia niezbędne do normalnego funkcjonowania najdalej położonego odbiorcy

• Przypadek, gdy znana jest zalecana dla kraju lub dla rejonu budownictwa wartość R. Dla przeciętnych warunków techniczno-ekonomicznych kraju to zwykle R = 8-10 mm H20/m, jednak wartość ta może ulegać istotnym zmianom w zależności od panujących na terenie projektowania i wykonawstwa warunków gospodarczych

• przy wartości R, która jest najkorzystniejsza ekonomicznie

Jednostkowe straty ciśnienia, odpowiednie średnice przewodów i prędkości przepływu wody można wyznaczać za pomocą wspomnianych tablic i nomogramów, przy czym jako czynnik ograniczający należy uznać dopuszczalną prędkość przepływu czynnika grzejnego.

Prędkość przepływu wody w przewodach sieci o maksymalnych średnicach nie powinna w zasadzie przekraczać 3,0-3,5 m/s.

Prędkość przepływu pary zależy od ciśnienia i stopnia nasycenia pary:

• para wysokoprężna przegrzana - do 60 m/s,

• para wysokoprężna nasycona - 20 - 40 m/s,

• para niskoprężna nasycona - 20 - 30 m/s.

Podstawy teoretyczne obliczeń hydraulicznych:

• Strumień masy czynnika:

• straty ciśnienia

• współczynnika tarcia liniowego

Wartość współczynnika tarcia liniowego zależna jest od stanu przepływu i od rodzaju przewodu. Dla przepływu laminarnego zależy od liczby Reynoldsa. Dla przepływu turbulentnego zależy od chropowatości bezwzględnej ścianki kanału k (od 0,15 mm dla rur stalowych gładkich do 3 mm dla rur betonowych), zaś dla stanu przejściowego jest ona funkcją liczby Reynoldsa oraz chropowatości bezwzględnej.

• Jednostkowy spadek ciśnienia

Jednostkowy spadek ciśnienia R [mm H2O/m] lub [daPa/m]:

• Straty ciśnienia po uwzględnieniu powyższych zalezności:

30. Izolacja i kompensacja cieplna sieci

Kompensacja rurociągów.

W skutek zmiany temperatury nośnika ciepła, rurociąg skraca się lub wydłuża.

Wydłużenie rurociągu DL obliczamy ze wzoru:

DL = a · Lo (tn – tm) [m]

w którym:

- a – współczynnik rozszerzalności cieplnej (tabela nr 1) [°C-1],

- Lo – długość rurociągu w temperaturze montażu [m],

- tn – maksymalna temperatura nośnika ciepła [oC],

- tm- temperatura montażu rurociągu sieci ciepłowniczej [oC].

Aby nie nastąpiło zniszczenie rurociągu należy stosować kompensację.

Rozróżniamy kompensację:

- naturalną,

- sztuczną.

Kompensacja naturalna - polega na takim ukształtowaniu trasy sieci przewodów, aby wydłużenie mogło być przejęte przez połączenia tych przewodów

Projektując sieć, należy jak najczęściej stosować kompensacją naturalną.

Podstawowe układy samokompensacji są:

- w kształcie litery L o kącie prostym,

- w kształcie litery L o kacie rozwartym,

- w kształcie litery Z.

Kompensacja sztuczna polega na zastosowaniu:

- wydłużek U-kształtowych,

- wydłużek dławicowych jednostronnych lub dwustronnych,

- wydłużek mieszkowych.

Rurociągi sieci ciepłowniczej, niezależnie od sposobu układania, zabezpiecza się izolacją cieplną. Izolacja cieplna chroni rurociąg przede wszystkim przed nadmiernymi stratami ciepła, ma jednak również zapobiegać przenikaniu wilgoci oraz chronić go przed uszkodzeniami mechanicznymi. Grubość izolacji należy dobrać tak, aby nie przekroczyć zalecanych wartości jednostkowych strat mocy cieplnej [W/mb].

Izolację przewodów cieplnych powinna cechować:

– odpornością na działanie wysokiej temperatury,

– małą wartością współczynnika przewodzenia ciepła,

– odpornością na zawilgocenie,

– odpornością na uszkodzenia mechaniczne,

– prostym sposobem wykonania i naprawy.

Izolacja cieplna wykonana jest najczęściej z trzech elementów:

- izolacji właściwej (np. pianka poliuretanowa, wełna mineralna),

- hydroizolacji (metoda smarowania lepików na zimno lub gorąco, metoda nawijania materiałów ze zwojów i uszczelnianie ich za pomocą lepików),

- płaszcza ochronnego (blacha stalowa ocynkowana, tworzywo sztuczne, siatka metalowa, materiały w zwojach: tkanina szklana, tkanina lakierowo-szklana, polimery), zabezpiecza izolację właściwą przed niekorzystnym wpływem otoczenia.

Przed zaizolowaniem, zewnętrzne powierzchnie rurociągów należy zabezpieczyć przed korozją zgodnie z Polską Normą.

Obecnie coraz częściej stosuje się izolację cieplną z gotowych elementów (półcylindryczną, cylindryczną).

31. Prowadzenie, elementy i armatura sieci ciepłowniczych

Podstawowy podział sieci ciepłowniczych sprowadza się do ich rozróżnienia na:

• nadziemne

• podziemne

Niezależnie od rodzaju sieci obowiązują następujące zasady ich prowadzenia:

• prowadzenie sieci jak najkrótszą drogą do jak największej liczby odbiorców,

• prowadzenie sieci powinno uwzględniać zasadę samokompensacji wydłużeń cieplnych,

• w terenie zabudowanym sieci należy układać wzdłuż ulic,

• w przypadku sieci podziemnych przy konieczności przejścia przez jezdnię należy wykonać je najkrótszą drogą (pod kątem prostym do jezdni),

• można prowadzić odcinki sieci przez budynki, pod warunkiem że średnice przewodów nie są większe niż Ø100mm,

• projektując wejście sieci wodnych do budynków należy pamiętać o umieszczeniu przewodów równolegle (jeden obok drugiego lub jeden nad drugim).

W przypadku sieci ciepłowniczych naziemnych należy uwzględnić jeszcze następujące zasady:

- sieć należy prowadzić na słupach niskich w taki sposób, aby odległość spodu izolacji od terenu wynosiła minimum 0,75 m,

- w miejscach zainstalowania armatury wymagającej obsługi należy ją zabezpieczyć, przed dostępem osób postronnych.

Sieci ciepłownicze składają się ze znacznej ilości elementów montażowych takich jak:

• Przewody

• dla średnic do 500mm stosuje się rury stalowe gładkie bez szwu,

• w przypadku średnic większych stosuje się rury stalowe ze szwem spawanym wzdłużnie

  • Połączenia poszczególnych odcinków przewodów ciepłowniczych –spawy gazowe lub elektryczne (dla większych średnic).

  • Połączenia z armaturą –najczęściej kołnierzowe

  • Załamania przewodów: łuki –gładkie i segmentowe

  • Zmiany średnic przewodów: zwężki –symetryczne, niesymetryczne, zwijane lub wycinane

  • Odgałęzienia: z odejściem z boku lub od góry przewodu głównego (najczęściej spotykane odgałęzienia łukowe i esowe prowadzone górą), w wyjątkowych przypadkach – odejścia od dołu poprzez tzw. ślepe króćce

• Przewody obiegowe - umożliwia przepływ nośnika ciepła między rurociągiem (rys. 17) zasilającym i powrotnym.

• Armatura:

• Odcinająca,

Do odcięcia przepływu czynnika w poszczególnych odcinkach sieci ciepłowniczych stosuje się zawory lub zasuwy wykonane ze staliwa.

• Zabezpieczająca,

Podstawowym rodzajem armatury zabezpieczającej są urządzenia zapobiegające wzrostowi ciśnienia ponad wartości dopuszczalne. Należą do nich głównie zawory bezpieczeństwa.

• Sterująca,

Do regulacji służy armatura sterująca (zawory i zasuwy).

• Pomocnicza:

Termometry, ciśnieniomierze, urządzenia usuwające zanieczyszczenia, np. odmulacze siatkowe, hydrocyklony

32. Podział i charakterystyka węzłów ciepłowniczych

Węzły ciepłownicze są podstawowymi elementami ogrzewań zdalaczynnych.

Oddzielają sieć ciepłowniczą od wewnętrznych instalacji i stanowią zazwyczaj granicę administracyjną pomiędzy producentem i dystrybutorem ciepła a użytkownikiem budynków.

Głównym ich zadaniem jest nie tylko transformacja termodynamicznych parametrów czynnika cieplnego, tzn. jego temperatury i ciśnienia, ale również regulacja jego ilości w zależności od potrzeb odbiorcy oraz kontrola i pomiar zużycia ciepła.

Wymiana ciepła odbywa się w węzłach ciepłowniczych tzw. pośredniego zasilania. Węzeł ciepłowniczy pośredniego zasilania to taki, w którym wymiana ciepła pomiędzy siecią ciepłowniczą a czynnikiem grzewczym instalacji centralnego ogrzewania, odbywa się w przeponowych wymiennikach ciepła. Jeszcze do niedawna stosowane były węzły bezpośrednio przyłączane do sieci ciepłowniczej (np. węzły hydroelewatorowe).

19. Dobór pompy do instalacji CO

Podstawą doboru pomp obiegowych w instalacji centralnego ogrzewania jest dysponowanie ich charakterystykami hydraulicznymi, a więc wykresami zależności wysokości podnoszenia od wydajności pompy.

Podstawowymi parametrami decydującymi o doborze pompy są:

• obliczeniowa wydajność pompy

• wysokość podnoszenia.

Wymaganą wydajność pompy wyznacza się w oparciu o obliczeniowe zapotrzebowanie na moc cieplną odbiorników przyłączonych do danej instalacji zgodnie z zależnością:

Wymagana wysokość podnoszenia pompy Hp określa się na podstawie obliczonych strat ciśnienia dla najniekorzystniejszego obiegu instalacji wraz ze stratą ciśnienia w obrębie źródła ciepła zgodnie z następującym wzorem:

14. Możliwości lokalizacji pompy obiegowej w otwartych instalacjach ogrzewania z górnym i dolnym rozdziałem ciepła

Pompę obiegową w instalacji centralnego ogrzewania można zamontować zarówno na przewodzie zasilającym, jak i powrotnym.

Wodne ogrzewanie pompowe systemu otwartego z rozdziałem dolnym i pompą zainstalowaną w przewodzie powrotnym oraz z odpowietrznikami miejscowymi i przewodami odpowietrzającymi.

Wodne ogrzewanie pompowe z rozdziałem górnymi pompą zainstalowaną w przewodzie zasilającym;

l - zbiorniki odpowietrzające, 2 - klapowy zawór zwrotny

Usytuowanie pompy względem naczynia wzbiorczego jest bardzo istotne ponieważ wpływa ono na rozkład ciśnienia w instalacji.

Nieprawidłowy rozkład ciśnienia może być przyczyną zakłóceń w pracy centralnego ogrzewania pomimo dobrania odpowiedniej pompy obiegowej. Zakłócenia te polegają na przerwaniu przepływu nośnika ciepła lub zapowietrzaniu się instalacji.

1. w miejscu połączenia naczynia wzbiorczego z instalacją centralnego ogrzewania panuje stałe ciśnienie statyczne zarówno w czasie postoju, jak i pracy pompy.

2. naczynie wzbiorcze umieszczone jest po stronie ssawnej pompy obiegowej - w instalacji panuje nadciśnienie. Wymagane jest umieszczenie naczynia wzbiorczego jedynie na wysokości 0,3 m ponad najwyższym punktem krążenia nośnika ciepła.

3. naczynie wzbiorcze jest zamontowane po stronie tłocznej pompy - wytwarzanie przez pompę obiegową podciśnienia w instalacji centralnego ogrzewania. W celu uniknięcia zapowietrzania się instalacji i grzejników na najwyższych kondygnacjach wymagane jest umieszczenie otwartego naczynia wzbiorczego tak, aby jego dno znajdowało się ponad najwyższym punktem krążenia nośnika ciepła na wysokości stanowiącej 0,7 wysokości podnoszenia pompy [m].

23. Współdziałanie pompy i sieci przewodów

Pokazana na rysunku krzywa Hgp+∆hr = f(Q), obrazująca zależność wysokości strat energetycznych (hydraulicznych) w przewodzie od natężenia przepływu, nazywa się charakterystyką przewodu. Oprócz geometrycznej wysokości podnoszenia pompa musi pokonać opory ruchu ∆hr wzrastające wraz ze wzrostem wydatku Q. Punkt przecięcia się charakterystyki przewodu Hgp+∆hr = f(Q) z charakterystyką pompy Hp = f(Q) nosi nazwę punktu pracy pompy (P). Jego współrzędne określają podstawowe parametry pracy pompy, takie jak wydatek rzeczywisty Qr i użyteczną wysokość podnoszenia H .

16. Algorytm obliczania instalacji centralnego ogrzewania

1. Założenie parametrów obliczeniowych, temperatury zasilania i powrotu (zgodnie z obowiązującym obecnie przepisem, w ogrzewaniach pomieszczeń przeznaczonych na pobyt ludzi temperatura zasilania nie powinna przekroczyć 90oC, ze względu komfortu pomieszczeń zaleca się tę temperaturę przyjmować równą co najwyżej 70 oC. Nie jest to jednak wymóg obligatoryjny. Trzeba pamiętać, że czym niższa średnia temperatura powierzchni grzejnika, tym wymagana będzie jego większa powierzchnia, nie jest ot przy tym zależność liniowa. Obecnie projektant ma również dużą swobodę w doborze temperatury powrotu. W zasadzie nie powinno się przyjmować mniejszych schłodzeń na grzejniku niż 20 K, im większe schłodzenie tym mniejszy strumień czynnika grzejnego, mniejsza pompa obiegowa i mniejsze zużycie energii elektrycznej na przetłaczanie wody).

2. Obliczenie strat ciepła pomieszczeń, dobór grzejników, rozmieszczenie grzejników, dobór źródła ciepła

3. Rozmieszczenie na rzutach kondygnacji pionów (w instalacjach pompowych mamy dużo większą swobodę w kształtowaniu geometrii instalacji, gdyż dysponujemy dużo większym ciśnieniem, które równoważyć będzie opory przepływu)

4. Rozmieszczenie pionów na rzucie piwnicy (analogicznie do rozmieszczenia na rzutach kondygnacji) i zaprojektowanie rozprowadzenia przewodów w piwnicy oraz podłączenia instalacji do źródła ciepła (kotła).

5. Wykonanie rysunku rozwinięcia instalacji c.o.

6. Obliczenia hydrauliczne instalacji i dobór średnic

   1. Podział instalacji na działki obliczeniowe (odcinki instalacji o stałym strumieniu masy i stałej średnicy) w przypadku instalacji c.o. dwururowej z rozdziałem dolnym, jako jedną działkę obliczeniową można wspólnie rozpatrywać odcinek przewodu zasilającego i powrotnego

   2. Wybór obiegu najniekorzystniej usytuowanego grzejnika

Jako najniekorzystniej usytuowany grzejnik w instalacji ogrzewania wodnego pompowego z rozdziałem dolnym przyjmuje grzejnik najwyżej położony – największa długość pionowych przewodów, pion najdalej położony od źródła – największa długość poziomych przewodów rozprowadzających, o większym obciążeniu cieplnym – większy strumień przepływu czynnika grzejnego w przypadku uwzględniania ciśnienia grawitacyjnego pojawia się jednak pewien problem wynikający ze wzrostu ciśnienia grawitacyjnego wraz z kondygnacją na której znajduje się grzejnik. Niekoniecznie zatem najniekorzystniejszym będzie grzejnik najwyżej położony, a rozpoznać go będzie można dopiero po przeprowadzeniu obliczeń

1. Określenie strumieni przepływu w działkach obliczeniowych

m = 3600 Q / cp (tz – tp) = 0,86 Q/(tz-tp), kg/h (8.6)

gdzie:

Q – obciążenie cieplne działki obliczeniowej, kW

cp – ciepło właściwe wody, kJ/kgK

tz – temperatura zasilania, oC

tp – temperatura powrotu, oC

1. Dobór średnic działek obiegu na warunek

w ≤ d (8.5)

gdzie:

w – prędkość przepływu czynnika grzejnego przy przepływie obliczeniowym, m/s

d – średnica nominalna przewodu w dcm

1. Określenie oporów liniowych i miejscowych poszczególnych działek i zsumowanie ich dla całego obiegu.

2. W przypadku obliczeń z uwzględnieniem ciśnienia grawitacyjnego (8.3 a) zsumowanie oporów liniowych i miejscowych poszczególnych działek oraz zmniejszenie o 0,75 ciśnienia grawitacyjnego obliczeniowego.

Obliczenia te przeprowadzamy dla wszystkich grzejników zasilanych z danego pionu i znajdujemy grzejnik, dla którego wynik obliczeń jest największy.

1. Zakładamy wielkość autorytetu zaworu termostatycznego “a” (0,3) i obliczamy minimalną wielkość oporów zaworu termostatycznego. – dla grzejnika położonego na najwyższej kondygnacji z zależności:

1. Dobieramy pompę obiegową

(dla obiegu czynnika najkorzystniejszego)

W przypadku nieuwzględniania w obliczeniach ciśnienia grawitacyjnego najniekorzystniejszy jest najwyżej położony grzejnik, a

1. W oparciu o charakterystykę pompy wyznaczamy rzeczywisty jej punkt pracy

1. Określamy rzeczywisty opór zaworu termostatycznego (grzejnikowego)

1. Dobieramy nastawę zaworu termostatycznego dla

2. Obliczamy oporu przepływu dla obiegu kolejnego grzejnika i w oparciu o zależność 8.7 określamy wielkość oporu zaworu termostatycznego dla tego obiegu. Dobieramy nastawę.

3. Obliczenia wg pkt. 12 przeprowadzamy dla wszystkich pozostałych obiegów.