Calcolo idraulico del sistema di riscaldamento

Sezioni dell’articolo

• Obiettivi e obiettivi del calcolo idraulico
• Tipi di sistemi di riscaldamento
• Determinazione della portata e della velocità di movimento del liquido di raffreddamento
• Perdite di carico e di pressione
• Pre-bilanciamento del sistema
• Sistemi software per i calcoli

Oggi analizzeremo come effettuare un calcolo idraulico del sistema di riscaldamento. In effetti, fino ad oggi, si sta diffondendo la pratica di progettare sistemi di riscaldamento per capriccio. Questo è un approccio fondamentalmente sbagliato: senza calcoli preliminari, alziamo l’asticella per il consumo di materiale, provociamo modalità operative anormali e perdiamo l’opportunità di raggiungere la massima efficienza.

Obiettivi e obiettivi del calcolo idraulico

Da un punto di vista ingegneristico, un sistema di riscaldamento a liquido sembra essere un complesso piuttosto complesso, che comprende dispositivi per la generazione di calore, il trasporto e il rilascio in ambienti riscaldati. La modalità operativa ideale per un sistema di riscaldamento idraulico è quella in cui il liquido di raffreddamento assorbe il massimo calore dalla fonte e lo trasferisce nell’atmosfera della stanza senza perdite durante il movimento. Naturalmente, un compito del genere sembra del tutto irraggiungibile, ma un approccio più ponderato consente di prevedere il comportamento del sistema in varie condizioni e avvicinarsi il più possibile ai parametri di riferimento. Questo è l’obiettivo principale della progettazione di sistemi di riscaldamento, la cui parte più importante è considerata il calcolo idraulico..

Gli obiettivi pratici della progettazione idraulica sono:

1. Comprendi a quale velocità e in quale volume si sposta il liquido di raffreddamento in ciascun nodo del sistema.
2. Determina quale effetto ha un cambiamento nella modalità operativa di ciascun dispositivo sull’intero complesso nel suo insieme.
3. Stabilire quali prestazioni e caratteristiche operative delle singole unità e dispositivi saranno sufficienti affinché l’impianto di riscaldamento possa svolgere le sue funzioni senza un significativo aumento dei costi e garantendo un margine di sicurezza irragionevolmente elevato.
4. In definitiva – per garantire una distribuzione rigorosamente misurata dell’energia termica in varie zone di riscaldamento e per garantire che questa distribuzione sia mantenuta con costanza elevata.

Possiamo dire di più: senza almeno calcoli di base, è impossibile ottenere una stabilità accettabile e un uso a lungo termine delle apparecchiature. La modellazione del funzionamento di un sistema idraulico, infatti, è la base su cui si basa ogni ulteriore sviluppo progettuale..

Tipi di sistemi di riscaldamento

Compiti di ingegneria di questo tipo sono complicati dalla grande varietà di sistemi di riscaldamento, sia in termini di scala che di configurazione. Esistono diversi tipi di scambi di riscaldamento, ognuno dei quali ha le sue leggi:

1. Sistemi senza uscita a due tubia – la versione più comune del dispositivo, adatta per l’organizzazione di circuiti di riscaldamento sia individuali che centrali.

Sistema di riscaldamento senza uscita a due tubi

2. Sistema monotubo o “Leningradka”è considerato il modo migliore per costruire complessi di riscaldamento civile con una potenza termica fino a 30-35 kW.

Sistema di riscaldamento monotubo a circolazione forzata: 1 – caldaia di riscaldamento; 2 – gruppo di sicurezza; 3 – termosifoni; 4 – Gru Mayevsky; 5 – vaso di espansione; 6 – pompa di circolazione; 7 – scarico

3. Sistema a doppio tubo di tipo passante– il tipo di disaccoppiamento più dispendioso in termini di materiali dei circuiti di riscaldamento, caratterizzato dalla massima stabilità operativa nota e dalla qualità di distribuzione del liquido di raffreddamento.

Sistema di riscaldamento associato a due tubi (anello Tichelman)

4. Layout del fascioè per molti aspetti simile a una corsa a due tubi, ma allo stesso tempo tutti i controlli del sistema sono posizionati in un punto – al gruppo collettore.

Circuito di riscaldamento a radiazione: 1 – caldaia; 2 – vaso di espansione; 3 – collettore di alimentazione; 4 – termosifoni; 5 – collettore di ritorno; 6 – pompa di circolazione

Prima di scendere al lato applicato dei calcoli, ci sono un paio di avvertenze importanti da fare. Prima di tutto, devi imparare che la chiave per un calcolo di alta qualità sta nella comprensione dei principi di funzionamento dei sistemi fluidi a livello intuitivo. Senza questo, la considerazione di ogni singola soluzione si trasforma in un intreccio di complessi calcoli matematici. Il secondo è l’impossibilità pratica di presentare più di concetti di base in una recensione; per spiegazioni più dettagliate è meglio fare riferimento a tale letteratura sul calcolo dei sistemi di riscaldamento:

• V. Pyrkov “Regolazione idraulica dei sistemi di riscaldamento e raffreddamento. Teoria e pratica “2a edizione, 2010.
• R. Jaushovets “L’idraulica: il cuore del riscaldamento dell’acqua”.
• Manuale idraulico della sala caldaie di De Dietrich.
• A. Saveliev “Riscaldamento a casa. Calcolo e installazione di sistemi “.

Determinazione della portata e della velocità di movimento del liquido di raffreddamento

Il metodo più noto per il calcolo dei sistemi idraulici si basa sui dati di un calcolo di ingegneria termica, che determina il tasso di rifornimento delle perdite di calore in ogni stanza e, di conseguenza, la potenza termica dei radiatori installati in essi. A prima vista, tutto è semplice: abbiamo il valore totale della potenza termica e quindi dosiamo la fornitura del vettore di calore a ciascun dispositivo di riscaldamento. Per una maggiore comodità, è pre-costruito uno schizzo assonometrico del sistema idraulico, che è annotato con gli indicatori di potenza richiesti di radiatori o anelli di un pavimento riscaldato ad acqua..

Schema assonometrico del sistema di riscaldamento

Il passaggio dall’ingegneria del calore al calcolo idraulico viene effettuato introducendo il concetto di flusso di massa, ovvero una determinata massa del refrigerante fornita a ciascuna sezione del circuito di riscaldamento. Il flusso di massa è il rapporto tra la potenza termica richiesta e il prodotto della capacità termica specifica del liquido di raffreddamento in base alla differenza di temperatura nelle tubazioni di alimentazione e di ritorno. Pertanto, sullo schizzo del sistema di riscaldamento, vengono contrassegnati i punti chiave per i quali è indicato il flusso di massa nominale. Per comodità, il flusso volumetrico viene determinato in parallelo, tenendo conto della densità del vettore di calore utilizzato.

G = Q / (c (t₂ – t₁))

• G – portata del refrigerante, kg / s
• Q – potenza termica richiesta, W
• c – capacità termica specifica del liquido di raffreddamento, per acqua presa come 4200 J / (kg ° C)
• ?T = (t₂ – t₁) – differenza di temperatura tra mandata e ritorno, ° С

La logica qui è semplice: per fornire la quantità richiesta di calore al radiatore, è necessario innanzitutto determinare il volume o la massa del liquido di raffreddamento con una data capacità di calore che passa attraverso la tubazione per unità di tempo. Per fare ciò, è necessario determinare la velocità di movimento del liquido di raffreddamento nel circuito, che è uguale al rapporto tra il flusso volumetrico e l’area della sezione trasversale del passaggio interno del tubo. Se la velocità viene calcolata in relazione al flusso di massa, il valore della densità del refrigerante deve essere aggiunto al denominatore:

V = G / (? F)

• V – velocità di movimento del liquido di raffreddamento, m / s
• G – portata del refrigerante, kg / s
• ? – la densità del liquido di raffreddamento, per l’acqua si possono prendere 1000 kg / m³
• f – l’area della sezione trasversale del tubo si trova nella formula ?­R², dove r è il diametro interno del tubo diviso per due

I dati sulla portata e sulla velocità sono necessari per determinare la dimensione nominale dei tubi di disaccoppiamento, nonché il flusso e la prevalenza delle pompe di circolazione. I dispositivi a circolazione forzata devono creare una pressione in eccesso per superare la resistenza idrodinamica dei tubi e delle valvole di intercettazione e controllo. La difficoltà maggiore è il calcolo idraulico di sistemi a circolazione naturale (gravitazionale), per i quali viene calcolata la pressione in eccesso richiesta dalla velocità e dal grado di espansione volumetrica del refrigerante riscaldato.

Perdite di carico e di pressione

Il calcolo dei parametri secondo i rapporti sopra descritti sarebbe sufficiente per i modelli ideali. Nella vita reale, sia il flusso volumetrico che la velocità del refrigerante differiranno sempre da quelli calcolati in diversi punti del sistema. La ragione di ciò è la resistenza idrodinamica al movimento del liquido di raffreddamento. È dovuto a una serie di fattori:

1. Forze di attrito del liquido di raffreddamento contro le pareti del tubo.
2. Resistenze locali al flusso formate da raccordi, rubinetti, filtri, valvole termostatiche e altri raccordi.
3. La presenza di tipi di connessione e ramificazione ramificati.
4. Vortici turbolenti su angoli, costrizioni, espansioni, ecc..

Il problema di trovare la caduta di pressione e la velocità in diverse parti del sistema è giustamente considerato il più difficile; si trova nel campo dei calcoli dei mezzi idrodinamici. Pertanto, le forze di attrito del fluido contro le superfici interne del tubo sono descritte da una funzione logaritmica che tiene conto della rugosità del materiale e della viscosità cinematica. I calcoli dei vortici turbolenti sono ancora più complicati: il minimo cambiamento nel profilo e nella forma del canale rende unica ogni situazione. Per facilitare i calcoli, vengono introdotti due fattori di riferimento:

1. Kvs– caratterizzare la portata di tubi, radiatori, separatori e altre aree vicine alla linea.
2. PER_SM– determinazione della resistenza locale in vari raccordi.

Questi fattori sono indicati dai produttori di tubi, valvole, valvole, filtri per ogni singolo prodotto. È abbastanza facile usare i coefficienti: per determinare la perdita di carico, Kms viene moltiplicato per il rapporto tra il quadrato della velocità di movimento del liquido di raffreddamento e il doppio valore dell’accelerazione di gravità:

?h_SM = K_SM (V²/ 2g)o ?p_SM = K_SM (? V²/ 2)

• ?h_SM – perdita di carico sulle resistenze locali, m
• ?p_SM – perdita di carico sulle resistenze locali, Pa
• PER_SM – coefficiente di resistenza locale
• g – accelerazione di gravità, 9,8 m / s²
• ? – la densità del liquido di raffreddamento, per acqua 1000 kg / m³

La perdita di carico nelle sezioni lineari è il rapporto tra la capacità del canale e il fattore di capacità noto e il risultato della divisione deve essere elevato alla seconda potenza:

P = (G / Kvs)²

• P – perdita di carico, barra
• G – la portata effettiva del liquido di raffreddamento, m³/ora
• Kvs – throughput, m³/ora

Pre-bilanciamento del sistema

L’obiettivo finale più importante del calcolo idraulico del sistema di riscaldamento è il calcolo di tali valori della portata alla quale una quantità rigorosamente misurata di refrigerante con una certa temperatura entra in ogni parte di ciascun circuito di riscaldamento, il che garantisce il rilascio di calore normalizzato sui dispositivi di riscaldamento. Questo compito sembra difficile solo a prima vista. In realtà, il bilanciamento viene eseguito da valvole di controllo limitatrici di flusso. Per ogni modello di valvola sono indicati sia il fattore Kv per la posizione completamente aperta sia la curva del fattore Kv per diversi gradi di apertura dello stelo di controllo. Modificando la portata delle valvole, che di solito sono installate nei punti di connessione dei dispositivi di riscaldamento, è possibile ottenere la distribuzione desiderata del refrigerante e quindi la quantità di calore trasferita da esso.

Vi è, tuttavia, una piccola sfumatura: quando la velocità effettiva cambia in un punto del sistema, non cambia solo la portata effettiva nella sezione in esame. A causa di una diminuzione o aumento del flusso, l’equilibrio in tutti gli altri circuiti cambia in una certa misura. Se prendiamo, ad esempio, due radiatori con diversa potenza termica, collegati in parallelo con il movimento opposto del liquido di raffreddamento, quindi con un aumento della portata del dispositivo che è il primo nel circuito, il secondo riceverà meno liquido di raffreddamento a causa dell’aumento della differenza di resistenza idrodinamica. Al contrario, quando la portata diminuisce a causa della valvola di regolazione, tutti gli altri radiatori più in basso nella catena riceveranno automaticamente un volume maggiore di refrigerante e necessiteranno di una calibrazione aggiuntiva. Ogni tipo di cablaggio ha i suoi principi di bilanciamento.

Sistemi software per i calcoli

Ovviamente, i calcoli manuali sono giustificati solo per piccoli sistemi di riscaldamento con un massimo di uno o due circuiti con 4–5 radiatori ciascuno. I sistemi di riscaldamento più complessi con una potenza termica di oltre 30 kW richiedono un approccio integrato al calcolo dell’idraulica, che amplia la gamma di strumenti utilizzati ben oltre una matita e un foglio di carta.

Danfoss C.O. 3.8

Oggi esiste un numero abbastanza grande di software fornito dai maggiori produttori di apparecchiature di riscaldamento, come Valtec, Danfoss o Herz. In tali pacchetti software, la stessa metodologia viene utilizzata per calcolare il comportamento dell’idraulica, che è stata descritta nella nostra recensione. Innanzitutto, una copia esatta del sistema di riscaldamento proiettato è modellata nell’editor visivo, per il quale sono indicati i dati relativi alla potenza termica, al tipo di portatore di calore, alla lunghezza e all’altezza delle gocce del tubo, ai raccordi usati, ai radiatori e alle serpentine di riscaldamento a pavimento. La libreria del programma contiene una vasta gamma di dispositivi e raccordi idraulici; per ogni prodotto, il produttore ha predeterminato i parametri operativi e i coefficienti di base. Se lo si desidera, è possibile aggiungere campioni di dispositivi di terze parti, se l’elenco delle caratteristiche richieste è noto per loro.

Alla fine del lavoro, il programma consente di determinare il foro nominale del tubo appropriato, selezionare il flusso e la pressione sufficienti delle pompe di circolazione. Il calcolo viene completato bilanciando il sistema, mentre durante la simulazione del funzionamento dell’idraulica, vengono prese in considerazione le dipendenze e l’effetto delle variazioni del rendimento di un’unità del sistema su tutte le altre. La pratica dimostra che la padronanza e l’utilizzo di prodotti software anche a pagamento risulta essere più economica rispetto a se i calcoli fossero affidati a specialisti a contratto..

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