04《供热工程》第四课 室内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湖南科技大学能源与安全学院成剑林本章重点及难点本章重点热水供热系统水力计算基本原理。重力循环热水供热系统水力计算基本原理。机械循环热水供热系统水力计算基本原理。本章难点水力计算方法。最不利循环。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、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；ΔPi——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。yjjPPPRlP一、系统管路水力计算的基本公式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。复习知识点比摩阻的计算：22vRd/Pam摩擦阻力系数：Re,Re,/fdKdλ的计算层流流动时：64Re紊流流动时：水力光滑区：21.42lgRedk过渡区：粗糙管区：0.250.3164Re0.25680.11ReKd对于热水供暖系统，根据运行时间积累的资料，K值目前推荐采用下面的数值：对室内热水供暖系统管路对室外热水网路0.2Kmm0.5Kmm热水的流动状态：对室内热水供暖系统管路：对室外热水网路：处在过渡区处在阻力平方区热媒流速与流量的关系2290036004GGvdd/ms简化的计算式2856.2510GRd/Pam附录4-1管段的局部损失水流过热水供暖系统管路的附件（如三通、弯头、阀门等）的局部阻力系数可查附录4-2。22jvPPa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。当量局部阻力法基本原理是将管段的沿程损失转变为局部损失来计算。2222jddvvPldld当量局部阻力法2222222219002jdzhvPRlPldlGdAGAGsG管路总压力损失为：Pa22419002Ad2/Pakgh当量长度法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。2222dddvvRllddljdzhPRlPRllRlmPa三、系统管路水力计算的任务及方法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；3.按已知系统各管段的管径和各管段的管径确定通过该管段的水流量。三、系统管路水力计算的任务及方法管路的水力计算从系统的最不利环路开始，也即是从允许的比摩阻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。2111nnnjzhzhPRlPAGRlPa三、系统管路水力计算的任务及方法进行第一种情况的水力计算时，可以预先求出最不利循环环路或者分支环路的平均比摩阻pjPRl/Pam根据算出的Rpj及环路中各管段的流量，利用水力计算图表，可以选出最接近的管径，并求出最不利循环环路中各管段的实际压力损失和整个环路的总压力损失值。三、系统管路水力计算的任务及方法第一种情况的水力计算有时也用在已知各管段的流量和选定的比摩阻R值或者流速v值的场合，此时选定的R值和v值，常采用经济值，称经济比摩阻或经济流速。如选用较大的R值，管径可缩小，单系统的压力损失增大，水泵的电能消耗增加。为了各循环环路易于平衡，最不利循环环路的平均比摩阻不宜选得过大。在设计实践中，Rpj一般取60~120Pa/m为宜。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。zhfhgfPPPgHP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：Pa计算步骤：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、1112、13、14、15、16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1'IP1'IhgfPgHPPa1'9.813977.81961.92350818IPPa计算步骤：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。4．确定长度压力损失yPRl计算步骤：5．确定局部阻力损失Z1）确定局部阻力系数根据系统图中管路的实际情况，列出各管段局部阻力管件名称，利用附录表4-2查得其阻力系数2）利用附录表4-3，根据管段流速v可查得动压头，利用式可得值。dPjdPPjP计算步骤：6．求各管段的压力损失7．求环路总压力损失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。yjPPP1~14712yjPPPa计算步骤：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。1）求平均比摩阻；2）确定管段的d并找到相应的R、v值。(3)求通过底层与第二层并联环路的压降不平衡率。2'2IhgfPgHPPa计算步骤：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。3'31753IhgfPgHPPa31'''15,17,181,13,14976IIyjPPPPPPa计算步骤：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。1'1818IIhgfPgHPPa计算步骤：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。机械循环单管热水供暖系统管路的水力计算方法和例题在机械循环系统中，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，占机械循环总循环压力的比例很小，可忽略不计。对机械循环双管系统，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，应计算在内，不可忽略。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小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)。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水力计算例题计算步骤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计算步骤3．计算最不利环路各管段的管径采用推荐的平均比摩阻Rpj大致为60~120Pa/m4．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。同程式系统和不等温降的水力计算方法，将在本章第四、五节中详细阐述。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计算方法和步骤：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。计算方法和步骤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。计算方法和步骤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，多于异程式系统，但它可以通过调整供、回水干管的各管段的压力损失来满足立管间不平衡率的要求。第五节不等温降的水力计算原理和方法计算原理及方法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。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确定后，对另一个并联支路预先给定其管径，从而确定通过该立管的流量以及该立管的实际温度降。这种计算方法对各立管间的流量分配完全遵守并联环路节点压力平衡的水力学规律，能使设计工况与实际工况基本一致。一、热水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，取决与各管段的连接方法以及各管段的阻力数s值。一、热水管路的阻力数123PPPP对于由串联管段组成热水管路，串联管段的总压降为：1P2P3P1s2s3sPG2222111chSGSGSGSG根据4-19有：由此可知：在串联管路中，管路的总阻力数为各串联管段阻力数之和。一、热水管路的阻力数123GGGG对于由并联管段组成热水管路，管路