河南城院供熱工程課件第4章 室內(nèi)熱水供暖系統(tǒng)的水力計(jì)算

第四章

室內(nèi)熱水供暖系統(tǒng)的

水力計(jì)算主要內(nèi)容：

第一節(jié)熱水供暖系統(tǒng)管路水力計(jì)算的基本原理

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

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

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

第五節(jié)不等溫降的水力計(jì)算原理和方法第一節(jié)熱水供暖系統(tǒng)管路水力計(jì)算的基本原理一、供暖系統(tǒng)管路水力計(jì)算的基本公式

1、熱水供暖系統(tǒng)中計(jì)算管段的壓力損失，可用下式表示：

ΔP=ΔPy+ΔPj=Rl+ΔPjPa

2、每米管長的沿程損失（比摩阻），可用流體力學(xué)的達(dá)西·維斯巴赫公式進(jìn)行計(jì)算：

Pa/m

熱媒在管內(nèi)流動(dòng)的摩擦阻力系數(shù)λ值取決于管內(nèi)熱媒流動(dòng)狀態(tài)和管壁的粗糙程度，即：

λ=f（Re，ε）

ε=K/d

摩擦阻力系數(shù)λ值是用實(shí)驗(yàn)方法確定的。（一）層流流動(dòng)當(dāng)Re＜2320時(shí)，流動(dòng)呈層流狀態(tài)。在此區(qū)域內(nèi)，摩擦阻力系數(shù)λ值僅取決于雷諾數(shù)Re的值，可按下式計(jì)算：λ=64/Re

在熱水供暖系統(tǒng)中很少遇到層流狀態(tài)，僅在重力循環(huán)熱水供暖系統(tǒng)的個(gè)別水流量很小、管徑很小的管段落內(nèi)，才會(huì)遇到層流的流動(dòng)狀態(tài)。（二）紊流流動(dòng)當(dāng)Re＞2320時(shí)，流動(dòng)呈紊流狀態(tài)。在整個(gè)紊流區(qū)中，隨著Re值的增加，還可以分為水力光滑區(qū)、過渡區(qū)和粗糙區(qū)（阻力平方區(qū)）三個(gè)區(qū)域。1.水力光滑管區(qū)摩擦阻力系數(shù)λ值可用布拉修斯公式計(jì)算，即

λ=0.3164/（Re）0.252.過渡區(qū)流動(dòng)狀態(tài)從水力光滑管區(qū)過渡到粗糙區(qū)（阻力平方區(qū)）的一個(gè)區(qū)域稱為過渡區(qū)。過渡區(qū)的摩擦阻力系數(shù)λ值，可用洛巴耶夫公式來計(jì)算，即

λ=1.42/（lgRe·d/K）2

過渡區(qū)的范圍，大致可用下式確定

Re1=11d/K或υ1=11ν/Km/s

Re2=445d/K或υ2=445ν/Km/s

3.粗糙管區(qū)（阻力平方區(qū)）在此區(qū)域內(nèi)，摩擦阻力系數(shù)λ值僅取決于管壁的相對粗糙度。粗糙管區(qū)的摩擦阻力系數(shù)λ值，可用尼古拉茲公式計(jì)算

λ=1/[1.14+2lg（d/K）]2

對于管徑等于或大于40mm的管子，用希弗林松推薦的、更為簡單的計(jì)算公式也可得出很接近的數(shù)值：

λ=0.11（K/d）0.25

管壁的當(dāng)量絕對粗糙度K值與管子的使用狀況（流體對管壁腐蝕和沉積水垢等狀況）和管子的使用時(shí)間等因素有關(guān)。對于熱水供暖系統(tǒng)，根據(jù)運(yùn)行實(shí)踐積累的資料，目前推薦采用下面的數(shù)值：

室內(nèi)熱水供暖系統(tǒng)管路K=0.2mm

對室外熱水網(wǎng)路K=0.5mm

室外熱水網(wǎng)路（K=0.5mm），設(shè)計(jì)都采用較高的流速（流速常大于0.5m/s），因此，水在熱水網(wǎng)路中的流動(dòng)狀態(tài),大多處于阻力平方區(qū)內(nèi)。

3、室內(nèi)供暖系統(tǒng)的水流量G，通常以kg/h表示。熱媒流速與流量的關(guān)系為：

υ=G/（3600ρπd2/4）=G/（900πd2ρ）

式中G——管段的水流量，kg/h?？傻贸龈奖愕挠?jì)算公式

R=6.25×10-8（λ/ρ）（G2/d5）Pa/m

4、管段的局部損失，可按下式計(jì)算：

ΔPj=Σζ（ρυ2/2）Pa

式中Σζ——管段中總的局部阻力系數(shù)。

二、當(dāng)量局部阻力法和當(dāng)量長度法

在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，為了簡化計(jì)算，也有采用所謂“當(dāng)量局部阻力法”或“當(dāng)量長度法”進(jìn)行管路的水力計(jì)算。

1、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。設(shè)管段的沿程損失相當(dāng)于某一局部損失ΔPj，則

ΔPy=ζd（ρυ2）/2=(λ/d)l（ρυ2）/2

ζd=(λ/d)l

2、當(dāng)量長度法當(dāng)量長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。如某一管段的總局部阻力系數(shù)為Σζ，設(shè)它的壓力損失相當(dāng)于流經(jīng)管段ld米長度的沿程損失，則Σζ（ρυ2）/2=Rld=（λ/d）ld（ρυ2）/2ld=Σζ（d/λ）m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（一）室內(nèi)熱水供暖系統(tǒng)管路水力計(jì)算的主要任務(wù)，通常為：

1.按已知系統(tǒng)各管段的流量和系統(tǒng)的循環(huán)作用壓力（壓頭），確定各管段的管徑。

2.按已知系統(tǒng)各管段的流量和各管段的管徑，確定系統(tǒng)所必需的循環(huán)作用壓力（壓頭）。

3.按已知系統(tǒng)各管段的管徑和該管段的允許壓降，確定通過該管的水流量。

（二）方法：室內(nèi)熱水供暖管路系統(tǒng)是由許多串聯(lián)或并聯(lián)管段組成的管路系統(tǒng)。管路的水力計(jì)算從系統(tǒng)的最不利環(huán)路開始，也即從允許的比摩阻R最小的一個(gè)環(huán)路開始計(jì)算。由n個(gè)串聯(lián)管段組成的最不利環(huán)路，它的總壓力損失為n個(gè)串聯(lián)管段壓力損失的總和。

當(dāng)系統(tǒng)的最不利循環(huán)環(huán)路的水力計(jì)算完成后，即可進(jìn)行其它分支循環(huán)環(huán)路的水力計(jì)算?！杜ㄒ?guī)范》規(guī)定：熱水供暖系統(tǒng)最不利循環(huán)環(huán)路與各并聯(lián)環(huán)路之間（不包括共同管段落）的計(jì)算壓力損失相對差額，不應(yīng)大于±15℃。

在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，為了平衡各并聯(lián)環(huán)路的壓力損失，往往需要提高近循環(huán)環(huán)路分支管段的比摩阻和流速。但流速過大會(huì)使管道產(chǎn)生噪聲。目前，《暖通規(guī)范》規(guī)定：最大允許的水流速不應(yīng)大于下列數(shù)值：民用建筑1.2m/s；生產(chǎn)廠房的輔助建筑物2m/s；生產(chǎn)廠房3m/s。整個(gè)熱水供暖系統(tǒng)總的計(jì)算壓力損失，宜增加10％的附加值，以此確定系統(tǒng)必需的循環(huán)作用壓力。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

[例題4-1]確定重力循環(huán)雙管熱水供暖系統(tǒng)管路的管徑（見圖4-1）。熱媒參數(shù)：供水溫度t`g=95℃，回水溫度t`h=70℃。鍋爐中心距底層散熱器距離為3m，層高為3m。每組散熱器的供水支管的供水支管上有一截止閥。解：計(jì)算步驟：1.選擇最不利環(huán)路2.計(jì)算通過最不利環(huán)路散熱器I1的作用壓力ΔP`Ⅰ13.確定最不利環(huán)路各管段的管徑d。4.確定長度壓力損失ΔPy=Rl。5.確定局部阻力損失Z6.求各管段的壓力損失ΔPj=ΔPy+ΔPj。7.求環(huán)路總壓力損失8.計(jì)算富裕壓力值。9.確定通過立管Ⅰ第二層散熱器環(huán)路中各管段的管徑。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。11.確定通過立管Ⅱ各層環(huán)路各管段的管徑。局部損失的計(jì)算：1、立管與散熱器連接供水干管與立管連接回水干管與立管連接2、立管與散熱器支管相交時(shí)，立管繞散熱器支管有一繞彎。3、散熱器支管上裝截止閥一個(gè)。4、立管上、下端各裝一個(gè)閥門（閘閥、截止閥）。5、三通、四通算在分支管上。6、直徑大于32按照煨彎計(jì)算，小于或等于32按照彎頭計(jì)算。均有已字彎第三節(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、機(jī)械循環(huán)單管順流式熱水供暖系統(tǒng)管路水力計(jì)算例題[例題4-2]確定圖4-2機(jī)械循環(huán)垂直單管順流式熱水供暖系統(tǒng)管路的管徑。熱媒參數(shù):供水溫度t`g=95℃，t`h=70℃。系統(tǒng)與外網(wǎng)連接。在引入口處外網(wǎng)的供回水壓差為30kPa。圖表4-2表示出系統(tǒng)兩個(gè)支路中的一個(gè)支路。散熱器內(nèi)的數(shù)字表示散熱器的熱負(fù)荷。樓層高為3m。[解]計(jì)算步驟1．在軸側(cè)圖上，與例題4-1相同，進(jìn)行管段編號，立管編號并注明各管段的熱負(fù)荷和管長，如圖4-2所示。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。如圖4-2，最不利環(huán)路是從入口到立管V。這個(gè)環(huán)路包括管段1到管段12。3．計(jì)算最不利環(huán)路各管段的管徑4．確定立管Ⅳ的管徑5．確定立管Ⅲ的管徑6．確定立管Ⅱ的管徑7．確定立管Ⅰ的管徑

通過機(jī)械循環(huán)系統(tǒng)水力計(jì)算（例題4-2）結(jié)果，可以看出：1．例題4-1與例題4-2的系統(tǒng)熱負(fù)荷、立管數(shù)、熱媒參數(shù)和供熱半徑都相同，機(jī)械循環(huán)系統(tǒng)的作用壓力比重力循環(huán)系統(tǒng)大得多，系統(tǒng)的管徑也小得多。2．由于機(jī)械循環(huán)系統(tǒng)供回水干管的R值選用較大，系統(tǒng)中各立管之間的并聯(lián)環(huán)路壓力平衡較難。例題4-2中，立管Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的不平衡百分率超過±15%的允許值。在系統(tǒng)初調(diào)節(jié)和運(yùn)行時(shí)，只能靠立管上的閥門進(jìn)行調(diào)節(jié)，否則例題4-2的異程式系統(tǒng)必然會(huì)出現(xiàn)近熱遠(yuǎn)冷的水平失調(diào)。如系統(tǒng)的作用半徑較大，同時(shí)又采用異程式布置管道，則水平失調(diào)現(xiàn)象更難以避免。

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)α

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Gs與通過該立管水流量Gl的比值，稱作散熱器進(jìn)流系數(shù)α，可用下式表示

α=Gs/Gl

影響兩側(cè)散熱器之間水流量分配的因素主要有兩個(gè)：一是由于散熱器負(fù)荷不同致使散熱器平均水溫不同而產(chǎn)生的重力循環(huán)附加作用壓力差值；二是并聯(lián)環(huán)路在節(jié)點(diǎn)壓力平衡狀況下的水流量分配規(guī)律。根據(jù)并聯(lián)環(huán)路節(jié)點(diǎn)壓力平衡原理，可列出下式：

（R1l1+ΔPj.1）1-Ⅰ-2=（R2l2+ΔPj.2）1-Ⅱ-2Pa或R1（l1+ld.1）1-Ⅰ-2=R2（l2+ld.2）1-Ⅱ-2Pa

如支管d1=d2，并假設(shè)兩側(cè)水的流動(dòng)狀況相同，摩擦阻力系數(shù)λ值近似相等，則根據(jù)式（4-14），R與水流量G的平方成正比，式（4-27）可改寫為

G2Ⅰ（l1+ld.1）1-Ⅰ-2=G2Ⅱ（l2+ld.2）1-Ⅱ-2

得在通常管道布置情況下，順流式系統(tǒng)兩側(cè)連接散熱器支管管徑、長度及其局部阻力都相等時(shí)，根據(jù)式（4-29）可見

αⅠ=αⅡ=0.5

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)。為了增大進(jìn)入散熱器的水流量，可用采用縮小跨越管徑的方法。由于跨越管的進(jìn)流系數(shù)比順流式的小，因而在相同散熱器熱負(fù)荷條件下，流出跨越式系統(tǒng)散熱器的出水溫度低于順流式系統(tǒng)。散熱器平均水溫也低，因而所需的散熱器面積要比順流式系統(tǒng)的大一些。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[例題4-3]

將例題4-2的異程式系統(tǒng)改為同程式系統(tǒng)。已知條件與例題4-2相同。管路系統(tǒng)圖見圖4-4。

[解]

計(jì)算方法和步驟：1．首先計(jì)算通過最遠(yuǎn)立管Ⅴ的環(huán)路。2．用同樣方法，計(jì)算通過最近立管Ⅰ的環(huán)路，從而確定出立管Ⅰ、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Ⅰ和立管Ⅴ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4-5），表示出系統(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。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)。第五節(jié)

不等溫降的水力計(jì)算原理和方法

不等溫降的水力計(jì)算，就是在單管系統(tǒng)中各立管的溫降各不相等的前提下進(jìn)行水力計(jì)算。它以并聯(lián)環(huán)路節(jié)點(diǎn)壓力平衡的基本原理進(jìn)行水力計(jì)算。在熱水供暖系統(tǒng)的并聯(lián)環(huán)路上，當(dāng)其中一個(gè)并聯(lián)支路節(jié)點(diǎn)壓力損失ΔP確定后，對另一個(gè)并聯(lián)支路（例如對某根立管），預(yù)先給定其管