供熱工程--第四章-室內(nèi)熱水供暖系統(tǒng)的水力計(jì)算課件

1、第四章 室內(nèi)熱水供暖系統(tǒng)的水力計(jì)算 本章教學(xué)目的：掌握水力計(jì)算方法本章教學(xué)重點(diǎn)：機(jī)械循環(huán)熱水供暖系統(tǒng) 管路的水力計(jì)算本章教學(xué)難點(diǎn)：阻力平衡 室內(nèi)熱水供暖系統(tǒng)通過進(jìn)行水力計(jì)算可以確定系統(tǒng)中各管段的管徑,是進(jìn)入各管段的流量和進(jìn)入散熱器的流量符合要求,進(jìn)而確定各管路系統(tǒng)的阻力損失。水力計(jì)算應(yīng)在確定了系統(tǒng)形式、管路布置及散熱器選擇計(jì)算后進(jìn)行。水力計(jì)算是供暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算的重要組成部分，也是設(shè)計(jì)中的一個(gè)難點(diǎn)。第一節(jié) 熱水供暖系統(tǒng)管路 水力 計(jì)算的基本原理 一、熱水供暖系統(tǒng)管路水力計(jì)算的基本公式 當(dāng)流體沿管道流動(dòng)時(shí)，由于流體分子間及其與管壁間的摩擦，就要損失能量；而當(dāng)流體流過管道的一些附件(如閥門、彎頭、三

2、通、散熱器等)時(shí)，由于流動(dòng)方向或速度的改變，產(chǎn)生局部旋渦和撞擊，也要損失能量。前者稱為沿程損失，后者稱為局部損失。 一、熱水供暖系統(tǒng)管路水力計(jì)算的基本公式 PPy+PiRl+Pi Pa 式中 P計(jì)算管段的壓力損失，Pa；Py計(jì)算管段的沿程損失，Pa；Pj計(jì)算管段的局部損失，Pa； R每米管長(zhǎng)的沿程損失，Pa m； l管段長(zhǎng)度，m。 在管路的水力計(jì)算中，通常把管路中水流量和管徑都沒有改變的一段管子稱為一個(gè)計(jì)算管段。任何一個(gè)熱水供暖系統(tǒng)的管路都是由許多串聯(lián)或并聯(lián)的計(jì)算管段組成的。 二、當(dāng)量局部阻力法和當(dāng)量長(zhǎng)度法 在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，也有采用所謂“當(dāng)量局部阻力法”或“當(dāng)量長(zhǎng)度法”進(jìn)行管路

3、的水力計(jì)算。 當(dāng)量局部阻力法(動(dòng)壓頭法) 當(dāng)量局部阻力法的基本原理是將管段的沿程損失轉(zhuǎn)變?yōu)榫植繐p失來計(jì)算。 當(dāng)量長(zhǎng)度法 當(dāng)量長(zhǎng)度法的基本原理是將管段的局部損失折合為管段的沿程損失來計(jì)算。三、室內(nèi)熱水供暖系統(tǒng)管路水力計(jì)算的主要任務(wù)和方法1、室內(nèi)熱水供暖系統(tǒng)水力計(jì)算的主要任務(wù)1）、已知各管道的流量和系統(tǒng)的循環(huán)作用壓力，確定各管段管徑。這是實(shí)際工程設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。2）、已知各管道流量和管徑，確定系統(tǒng)所需的循環(huán)作用壓力。常用于校核計(jì)算，校核水泵揚(yáng)程是否滿足要求。3）、已知各管道管徑和該管段的允許壓降，確定該管段的流量。常用于校核已有的熱水供暖系統(tǒng)各管段的流量是否滿足需要。2、室內(nèi)熱水供暖系統(tǒng)水力計(jì)算的

4、方法 等溫降法和不等溫降法 等溫降法就是采用相同的設(shè)計(jì)溫降進(jìn)行水力計(jì)算的一種方法。該方法認(rèn)為雙管系統(tǒng)每組散熱器的水溫降相同，如低溫雙管熱水供暖系統(tǒng)，每組散熱器的水溫降都為25度；單管系統(tǒng)每根立管的供回水溫降相同，如低溫單管熱水供暖系統(tǒng)，每根立管的水溫降都為25度。在這個(gè)前提下計(jì)算各管段流量，進(jìn)而確定各管段管徑。此法簡(jiǎn)便、易于計(jì)算，但不易使各并聯(lián)環(huán)路阻力達(dá)到平衡，運(yùn)行時(shí)易出現(xiàn)近熱遠(yuǎn)冷的水平失調(diào)問題。 不等溫降法在計(jì)算垂直單管系統(tǒng)時(shí)，將各立管溫降采用不同的數(shù)值。它是在選定管徑后，根據(jù)壓力損失平衡的要求，計(jì)算各立管流量，再根據(jù)流量計(jì)算立管的實(shí)際溫降，最后確定散熱器的面積。不等溫降法有可能在設(shè)計(jì)上解決

5、系統(tǒng)的水平失調(diào)問題，但設(shè)計(jì)過程比較復(fù)雜。第二節(jié) 重力循環(huán)雙管系統(tǒng)管路 水力計(jì)算方法和例題 重力循環(huán)異程式雙管系統(tǒng)的最不利循環(huán)環(huán)路是通過最遠(yuǎn)立管底層散熱器的循環(huán)環(huán)路，計(jì)算應(yīng)由此開始。 最不利環(huán)路是各并聯(lián)環(huán)路中允許平均比摩組最小的一個(gè)環(huán)路，如圖4-1重力循環(huán)異程式雙管系統(tǒng)，因所有立管上對(duì)應(yīng)各層散熱器的中心至鍋爐中心的垂直距離都相等，所以最不利環(huán)路就是環(huán)路總長(zhǎng)度最長(zhǎng)的立管I的最底層散熱器I l的環(huán)路。計(jì)算步驟：1選擇最不利環(huán)路 由圖41可見，最不利環(huán)路是通過立管I的最底層散熱器I l(1500W)的環(huán)路。這個(gè)環(huán)路從散熱器Il順序地經(jīng)過管段、，進(jìn)入鍋爐，再經(jīng)管段、11 12 13 14 15 16進(jìn)入

6、散熱器1。2計(jì)算通過最不利環(huán)路散熱器Il的作用壓力Pd. 3確定最不利環(huán)路各管段的管徑d。(1)求單位長(zhǎng)度平均比摩阻(2)根據(jù)各管段的熱負(fù)荷，求出各管段的流量 (3)根據(jù)G、Rpj，查附錄表41，選擇最接近Rpj的管徑。選用的Rpj越大，需要的管徑越小，會(huì)降低系統(tǒng)的基建投資和熱損失，但系統(tǒng)循環(huán)水泵的投資和運(yùn)行電耗會(huì)隨之增加。所以需要確定一個(gè)經(jīng)濟(jì)比摩阻，使得在規(guī)定的計(jì)算年限內(nèi)總費(fèi)用為最小。機(jī)械循環(huán)熱水供暖系統(tǒng)推薦選用的經(jīng)濟(jì)平均比摩阻一般為60120Pa/m。4確定沿程壓力損失 5確定局部阻力損失6計(jì)算求各管段總的壓力損失 7確定環(huán)路總壓力損失 8計(jì)算富裕壓力值。 考慮由于施工的具體情況，可能增加

7、一些在設(shè)計(jì)計(jì)算中未計(jì)入的壓力損失。因此，要求系統(tǒng)應(yīng)有10以上的富裕度。9確定通過立管第二層散熱器環(huán)路中各管段的管徑。(1)計(jì)算通過立管I第二層散熱器環(huán)路的作用壓力(2)確定通過立管I第二層散熱器環(huán)路中各管段的管徑。 資用壓力是系統(tǒng)在該入戶處所能提供的循環(huán)壓力，即供回水管道的壓力差，它是由供熱部門供熱系統(tǒng)循環(huán)泵的揚(yáng)程大小決定的，也就是外網(wǎng)提供的循環(huán)壓力。雙管系統(tǒng)如果外網(wǎng)提供的壓力大于資用壓力，就要設(shè)置高阻調(diào)節(jié)的兩通閥，單管系統(tǒng)如果外網(wǎng)提供的壓力大于資用壓力，就要設(shè)置低阻調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)閥。 一般來說，某一管段的沿程阻力和局部阻力之和都可以叫做資用壓力。資用壓力可以利用的壓力，也就是系統(tǒng)所必須提供給用戶

8、的克服各種阻力（系統(tǒng)中流體流動(dòng)阻力）的壓力。 (3)求通過底層與第二層并聯(lián)環(huán)路的壓降不平衡率。10確定通過立管I第三層散熱器環(huán)路上各管段的管徑，計(jì)算方法與前相同。計(jì)算結(jié)果如下：（1）通過立管I第三層散熱器環(huán)路的作用壓力（2）管段15、17、18與管段13、14、l為并聯(lián)管路。通過管段15、17、18的資用壓力為（3）管段15、17、18的實(shí)際壓力損失為459+1591十1197738Pa。（4）不平衡率x13(976738)97624415因17、18管段已選用最小管徑，剩余壓力只能用第三層散熱器支管上的閥門消除。11確定通過立管各層環(huán)路各管段的管徑。 作為異程式雙管系統(tǒng)的最不利循環(huán)環(huán)路是通過

9、最遠(yuǎn)立管I底層散熱器的環(huán)路。對(duì)與它并聯(lián)的其它立管的管徑計(jì)算，同樣應(yīng)根據(jù)節(jié)點(diǎn)壓力平衡原理與該環(huán)路進(jìn)行壓力平衡計(jì)算確定。（1）確定通過立管底層散熱器環(huán)路的作用壓力 (2)確定通過立管底層散熱器環(huán)路各管段管徑d。 通過該雙管系統(tǒng)水力計(jì)算結(jié)果，可以看出，第三層的管段雖然取用了最小管徑(DN15)，但它的不平衡率大于15。這說明對(duì)于高于三層以上的建筑物，如采用上供下回式的雙管系統(tǒng)，若無良好的調(diào)節(jié)裝置(如安裝散熱器溫控閥等)，豎向失調(diào)狀況難以避免。 第三節(jié) 機(jī)械循環(huán)單管熱水供暖系統(tǒng)管路的水力計(jì)算方法和例題 與重力循環(huán)系統(tǒng)相比，機(jī)械循環(huán)系統(tǒng)的作用半徑大，其室內(nèi)熱水供暖系統(tǒng)的總壓力損失一般約為10-20kPa

10、，對(duì)水平式或較大型的系統(tǒng)，可達(dá)20一50kPa。 進(jìn)行水力計(jì)算時(shí)，機(jī)械循環(huán)室內(nèi)熱水供暖系統(tǒng)多根據(jù)入口處的資用循環(huán)壓力，按最不利循環(huán)環(huán)路的平均比摩阻來選用該環(huán)路各管段的管徑。當(dāng)入口處資用壓力較高時(shí)，管道流速和系統(tǒng)實(shí)際總壓力損失可相應(yīng)提高。 第三節(jié) 機(jī)械循環(huán)單管熱水供暖系統(tǒng)管路的水力計(jì)算方法和例題 一、進(jìn)行水力計(jì)算時(shí)應(yīng)注意：1、如果機(jī)械循環(huán)室內(nèi)熱水供暖系統(tǒng)入口處的循環(huán)作用壓力已經(jīng)確定，可根據(jù)入口處的作用壓力求出各循環(huán)環(huán)路的平均比摩阻，進(jìn)而確定各管段的管徑。2、如果系統(tǒng)入口處作用壓力較高時(shí)，必然要求環(huán)路的總壓力損失也較高，這會(huì)使系統(tǒng)的比摩阻、流速相應(yīng)提高。 對(duì)于異程式系統(tǒng)，如果最不利環(huán)路各管段比摩阻

11、定得過大，其他并聯(lián)環(huán)路的阻力損失將難以平衡，而且設(shè)計(jì)中還需考慮管路和散熱器的承壓能力問題。因此，對(duì)于入口處作用壓力過大的系統(tǒng)，可先采用經(jīng)濟(jì)比摩阻確定各管段管徑，然后再確定系統(tǒng)所需的循環(huán)作用壓力，過剩的入口壓力可用調(diào)節(jié)閥或調(diào)節(jié)孔板消除。 3、在機(jī)械循環(huán)系統(tǒng)中，循環(huán)壓力主要是由水泵提供，同時(shí)也存在著重力循環(huán)作用壓力。管道內(nèi)水冷卻產(chǎn)生的重力循環(huán)作用壓力和水在散熱器內(nèi)冷卻產(chǎn)生的作用壓力之和，占機(jī)械循環(huán)總循環(huán)壓力的比例很小，可忽略不計(jì)。 4、對(duì)機(jī)械循環(huán)雙管系統(tǒng)，一根立管上的各層散熱器是并聯(lián)關(guān)系，水在各層散熱器冷卻所形成的重力循環(huán)作用壓力不相等，在進(jìn)行各立管散熱器并聯(lián)環(huán)路的水力計(jì)算時(shí)，應(yīng)計(jì)算各層自然循環(huán)的

12、作用壓差，不可忽略。 5、對(duì)機(jī)械循環(huán)單管系統(tǒng)，如建筑物各部分層數(shù)相同時(shí)，每根立管所產(chǎn)生的重力循環(huán)作用壓力近似相等，可忽略不計(jì)；如建筑物各部分層數(shù)不同時(shí)，高度和各層熱負(fù)荷分配比不同，各立管環(huán)路之間所產(chǎn)生的重力循環(huán)作用壓力不相等，在計(jì)算各立管之間并聯(lián)環(huán)路的壓降不平衡率時(shí)，應(yīng)將其重力循環(huán)作用壓力的差額計(jì)算在內(nèi)。重力循環(huán)作用壓力可按設(shè)計(jì)工況下的最大值的23計(jì)算(約相應(yīng)于采暖平均水溫下的作用壓力值)。 例題4-2計(jì)算步驟1在軸測(cè)圖上，與例題4-1相同，進(jìn)行管段編號(hào)，立管編號(hào)并注明各管段的熱負(fù)荷和管長(zhǎng) 2確定最不利環(huán)路。本系統(tǒng)為異程式單管系統(tǒng)，一般取最遠(yuǎn)立管的環(huán)路作為最不利環(huán)路3計(jì)算最不利環(huán)路各管段的管徑

13、 計(jì)算步驟4確定立管的管徑5確定立管的管徑6確定立管的管徑7確定立管I的管徑 為避免采用例題4-2的水力計(jì)算方法而出現(xiàn)立管之間環(huán)路壓力不易平衡的問題，在工程設(shè)計(jì)中，可采用下面的一些設(shè)計(jì)方法，來防止或減輕系統(tǒng)的水平失調(diào)現(xiàn)象。 (1)供、回水干管采用同程式布置； (2)仍采用異程式系統(tǒng)，但采用“不等溫降”方法進(jìn)行水力計(jì)算；(3)仍采用異程式系統(tǒng)，采用首先計(jì)算最近立管環(huán)路的方法。 二、散熱器的進(jìn)流系數(shù)定義：在單管熱水供暖系統(tǒng)中，立管的水流量全部或部分地流進(jìn)散熱器。流進(jìn)散熱器的水流量與通過該立管水流量的比值，稱為散熱器的進(jìn)流系數(shù)。 對(duì)于跨越式系統(tǒng)，立管中部分水量流過跨越管段，只有部分水量進(jìn)入一側(cè)或兩側(cè)

14、散熱器。通過跨越管段的水沒有被冷卻，它與散熱器平均水溫不同而引起重力循環(huán)附加作用壓力，它要比順流式系統(tǒng)大一些。 通常根據(jù)實(shí)驗(yàn)方法確定進(jìn)流系數(shù)。實(shí)驗(yàn)表明：跨越式系統(tǒng)散熱器的進(jìn)流系數(shù)與散熱器支管、立管和跨越管的管徑組合情況以及立管中的流量或流速有關(guān)。 1.首先計(jì)算通過最遠(yuǎn)立管的環(huán)路。確定出供水干管各個(gè)管段、立管和回水總干管的管徑及其壓力損失。計(jì)算方法與例題4-2相同，見水力計(jì)算表4-5。2.用同樣方法，計(jì)算通過最近立管的環(huán)路，從而確定出立管、回水干管各管段的管徑及其壓力損失。3.求并聯(lián)環(huán)路立管和立管的壓力損失不平衡率，使其不平衡率在5%以內(nèi)。4.根據(jù)水力計(jì)算結(jié)果，利用圖示方法（見圖4-6），表示出

15、系統(tǒng)的總壓力損失及各立管的供、回水節(jié)點(diǎn)間的資用壓力值。第四節(jié) 機(jī)械循環(huán)同程式熱水供暖系統(tǒng)管路的水力計(jì)算方法和例題5.確定其它立管的管徑。根據(jù)各立管的資用壓力和立管各管段的流量，選用合適的立管管徑。計(jì)算方法與例題4-2的方法相同。6.求各立管的不平衡率。根據(jù)立管的資用壓力和立管的計(jì)算壓力損失，求各立管的不平衡率。不平衡率應(yīng)在10%以內(nèi)。 通過同程式系統(tǒng)水力計(jì)算例題可見，雖然同程式系統(tǒng)的管道金屬耗量，多于異程式系統(tǒng)，但它可以通過調(diào)整供、回水干管的各管段的壓力損失來滿足立管間不平衡率的要求。 資用壓力是系統(tǒng)在該入戶處所能提供的循環(huán)壓力，即供回水管道的壓力差，它是由供熱部門供熱系統(tǒng)循環(huán)泵的揚(yáng)程大小決定

16、的，也就是外網(wǎng)提供的循環(huán)壓力。雙管系統(tǒng)如果外網(wǎng)提供的壓力大于資用壓力，就要設(shè)置高阻調(diào)節(jié)的兩通閥，單管系統(tǒng)如果外網(wǎng)提供的壓力大于資用壓力，就要設(shè)置低阻調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)閥。 一般來說，某一管段的沿程阻力和局部阻力之和都可以叫做資用壓力。資用壓力可以利用的壓力，也就是系統(tǒng)所必須提供給用戶的克服各種阻力（系統(tǒng)中流體流動(dòng)阻力）的壓力。 閥門是用來開閉管路和調(diào)節(jié)輸送介質(zhì)流量的設(shè)備。在采暖管道上，常用的閥門型式有截止閥、閘閥、蝶閥、止回閥和調(diào)節(jié)閥等。 截止閥：作為切斷或調(diào)節(jié)以及節(jié)流使用，耐磨便于維修。 城建供水、供熱工程上公稱通徑小于150mm的管路上。 高溫高壓介質(zhì)的管路或裝置上宜選用。 截止閥按介質(zhì)流向可分為

17、直通式、直角式和直流式三種；按閥桿螺紋的位置可分為明桿和暗桿兩種。截止閥關(guān)閉嚴(yán)密性較好，但閥體長(zhǎng)，介質(zhì)流動(dòng)阻力大，產(chǎn)品公稱通徑不大于200mm。 閘閥：是常用的截?cái)嚅y之一，主要用來接通或截?cái)喙苈分械慕橘|(zhì)，不適用調(diào)節(jié)介質(zhì)流量。閘閥適用于壓力、溫度及口徑范圍很大，尤其適用于中、大口徑的管道。通常適用于不需要經(jīng)常啟閉，而且保持閘板全開或全閉的工況。 閘閥的結(jié)構(gòu)型式也有明桿和暗桿兩種；按閘板的形狀及數(shù)目，有楔式與平行式以及單板與雙板的區(qū)分，閘閥的優(yōu)缺點(diǎn)正好與截止閥相反，常用在公稱通徑大于200mm的管道上。 蝶閥 蝶閥閥體長(zhǎng)度很小，流動(dòng)阻力小，調(diào)節(jié)性能稍優(yōu)于截至法和閘閥，但造價(jià)高。蝶閥在國(guó)內(nèi)熱網(wǎng)工程上

18、應(yīng)用逐漸增多。 止回閥 止回閥（逆止閥）是用來防止管道或設(shè)備中介質(zhì)倒流的一種閥門。 常用的止回閥主要有旋啟式和升降式。 調(diào)節(jié)閥：調(diào)節(jié)供熱介質(zhì)流量，有手動(dòng)和自動(dòng)調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)性能好的調(diào)節(jié)閥，其閥瓣啟升高度與通過流量的大小應(yīng)近似呈線性關(guān)系。 截止閥、閘閥和蝶閥的連接方式可用法蘭、螺紋連接或采用焊接；傳動(dòng)方式可用手動(dòng)（用于小口徑）、齒輪、電動(dòng)、液動(dòng)和氣動(dòng)（用于大口徑）等。 乙字管（乙字彎）：Pipe offset 為了延伸與其起始段平行的管線而設(shè)計(jì)的一種反向曲線形的管件。作用是控制立管水流的速度。排水管應(yīng)避免軸線偏置，當(dāng)受條件限制時(shí)宜用乙字管。當(dāng)采用同層排水、集水器時(shí)，集水器與立管連接部位（上、下兩處）均應(yīng)設(shè)乙字管。 根據(jù)用途不同，采暖系統(tǒng)中的閥門按下列原則配置： 關(guān)閉用閥門：熱水和凝結(jié)水系統(tǒng)用閘閥；高低壓蒸汽系統(tǒng)用截止閥 調(diào)節(jié)用閥門：截止閥、手動(dòng)調(diào)節(jié)閥、