Расчеты по гидравлике

Объем жидкости в системе отопления

Для расчетов объема жидкости в трубах используем online калькулятор

Еще  online калькуляторы

  1. Расчет площади поверхности трубы
  2. Онлайн расчет потерь напора по длине

Всего труб ТП у меня примерно 1400 м трубы PEx ∅16 мм. Получаем:

Внутренний диаметр трубы: 15 мм
Внешний диаметр трубы: 16 мм
Длина: 1400000 мм

Объем всей трубы: 247.8 литров
Объем 1 метра трубы: 0.177 литров
Площадь поверхности трубы: 70.372 м2

Объем жидкости в теплых стенах

Всего труб ТС (туда спиртовый раствор 25-30%, как в геоконтуре,  чтобы температура замерзания было около -10…-15С)  у меня примерно 900 м трубы PEx ∅16 мм. Получаем:

Внутренний диаметр трубы: 15 мм
Внешний диаметр трубы: 16 мм
Длина: 900000 мм

Объем всей трубы: 159.3 литров
Объем 1 метра трубы: 0.177 литров
Площадь поверхности трубы: 45.239 м2

Объем жидкости в грунтовом коллекторе

Для одной ветки геоколлектора “многоэтажки” (спиртовый раствор):
Внутренний диаметр трубы: 30 мм
Внешний диаметр трубы: 32 мм
Длина: 135000 мм
Объем всей трубы: 95.445 литров
Объем 1 метра трубы: 0.707 литров
Площадь поверхности трубы: 13.572 м2

Веток у меня 8, получаем общий объем в геоколлекторе около 800 литров. Площадь поверхности общая около 110 м2.

От колодца геоколлектора до дома (спиртовый раствор):
Внутренний диаметр трубы: 38 мм
Внешний диаметр трубы: 40 мм
Длина: 30000 мм
Объем всей трубы: 34.02 литров
Объем 1 метра трубы: 1.134 литров
Площадь поверхности трубы: 3.77 м2

Объем жидкости в коллекторах под домом и в дренажной канаве

Для ГТА под домом (спиртовый раствор 25-30%):
Внутренний диаметр трубы: 30 мм
Внешний диаметр трубы: 32 мм
Длина: 100000 мм
Объем всей трубы: 70.7 литров
Объем 1 метра трубы: 0.707 литров
Площадь поверхности трубы: 10.053 м2

Для ГК в дренаже (пропиленгликоль до -30С или тот же спиртовый раствор 50-60%):
Внутренний диаметр трубы: 30 мм
Внешний диаметр трубы: 32 мм
Длина: 80000 мм
Объем всей трубы: 56.56 литров
Объем 1 метра трубы: 0.707 литров
Площадь поверхности трубы: 8.042 м2

Для труб в фундаменте (спиртовый раствор 25-30%):
Внутренний диаметр трубы: 18 мм
Внешний диаметр трубы: 20 мм
Длина: 300000 мм
Объем всей трубы: 76.2 литров
Объем 1 метра трубы: 0.254 литров
Площадь поверхности трубы: 18.85 м2

Всего геотермальный контур и ТС с раствором спирта до -10…-15С – 800+34+71+77+160=1142 л. При 25% (1/3) нужно 285 л спирта 99%. Контур в дренаже и ТО на входе вентиляции на чердаке – еще около 65 л, там концентрация 50-55%, т.е. нужно еще 40 л. На обвязке и оборудовании набежит еще сколько-то, поэтому получается спирта нужно примерно 330 л. Оставшиеся 70 л можно залить в ТП, для 270 литров объема получится концентрация около 25%. Можно делать 20%, для такого раствора температура замерзания около -7С.

Сравнение стоимости спирта со стоимость пропиленгликоля
стоимость пропиленгликоля (цены при покупке бочками)

Московский стандарт до -15С – 60 руб/кг. 1400 кг = 84700 рублей

Московский стандарт до -25С – 75 руб/кг. 70 кг = 5250 рублей

Всего 90000 рублей. За спирт – 38000 рублей. Разница 2,37 раза.

Доставка в обоих случаях плюсом, за пропиленгликоль будет тысяч 10-15 (из Тулы), за спирт – 5.

Объем жидкости в солнечном контуре

На фасаде 4 петли из гофронержавейки ∅15 мм примерно по 55-60м каждая. Всего считаем 230 м. Объем жидкости в них – около 40 литров. Плюс от распределительного коллектора на чердаке до котельной идет ∅20мм около 20 м (туда-обратно), в них будет около 6 литров.

Для ВТО2 считаем 20 м PEX16 = 3 литра плюс в самом ВТО2 еще 1 л, итого с запасом 5 л. Всего в контуре воздушного коллектора – 50-55 л.

В вакуумном коллекторе будет 4 л в трубах, 3 л в коллекторах, итого литров 10. Еще расширительный бак литров на 50 (из расчета 0,5л/трубку) для 90 трубок. Такое количество необходимо для принятия теплоносителя при закипании коллектора.

В расширительных бачках – еще около 10 л.

Всего на солнечные коллекторы понадобится 70 л “солнечного” пропиленгликоля.

По факту на солнечный коллектор без вакуумного ушло около 100 л теплоносителя. Расширительные баки – 8 и 30 л.

Сводная таблица по расчету объема жидкости и потерь напора в трубах
Контур Общий объем, л Потеря напора, м Расход, м³/ч Теплоноситель Прим.
ТП 1 этаж 87     вода  
ТП 2 этаж 70     вода  
ТС 1 этаж 43     спирт 30%  
ТС 2 этаж 41     спирт 30%  
Геоколлектор       спирт 30%  
ГК дренаж       спирт 30%  
ГК под фундаментом       спирт 30%  
ТО в фундаменте       спирт 30%  
Солнечный коллектор на фасада       пропиленгликоль  
Солнечный коллектор вакуумный 10+25 2-4 0,54 пропиленгликоль  

Расчет циркуляционных насосов

Хорошая статья по расчету теплых полов

Расчет теплопереноса теплового насоса. Для передачи 8 кВт тепла 20% спиртовым раствором (удельную теплоемкость принимаем на уровне 4 кДж/(кг*°С)). Разницу температур принимаем 4-5 градусов.

Расход рекомендуется считать по формуле

Q = 0,86 x P (кВт)/dt

0,86 – этот 1 кВт/1.163 кВт*ч  (вторая цифра – сколько энергии нужно для нагрева 1 м3 воды на 1 градус)

Подбор циркуляционного насоса для системы отопления сводится к расчету необходимой производительности, другими словами, нужно посчитать подачу насоса по одной из следующих формул:
 

Q = P/(1,16 х ΔT) (кг/ч), где ΔT – разница между температурой обратного и подающего трубопровода; 1,16 – величина удельной теплоемкости для воды, размерность Вт*ч/кг*°С. Для других теплоносителей необходимо данную величину заменить;

Q = 3,6 х P/(c х ΔT) (кг/ч),

где с – удельная теплоемкость вещества.
Если величина расхода задана в м3/ч, как это принято в технической документации к насосам, то необходимо ее разделить на плотность вещества при заданной температуре (при t=80°С теплоемкость воды равна 972 кг/м3). Первая формула используется европейскими проектировщиками, вторая используется в СНиП 2.04.05-91.

Источник: http://otoplenie-gid.ru/cirkulyaciya/iskusstvennaya/116-cirkulyacionnyj-nasos-dlya-otopleniya-podbor

Для основного геоконтура

Расчет теплопереноса теплового насоса. Для многоэтажки в 4 этажа в обводненном суглинке по опыту получается 80-100 Вт/м погонный. Для своего необводненного суглинка принимаю для расчетов 70 Вт/м, получаю для 135 м около 9,5 кВт. Для среднего COP=4 для такого геоконтура нужен ТН мощностью около 11-12 кВт.

Для передачи 9,5 кВт тепла 20% спиртовым раствором (удельную теплоемкость принимаем на уровне 4 кДж/(кг*°С)). Разницу температур принимаем 4-5 градусов.

Расход рекомендуется считать по формуле

Q 3/ч) = 0,86 x P (кВт)/dt

0,86 – этот 1 кВт/1.163 кВт*ч  (вторая цифра – сколько энергии нужно для нагрева 1 м3 воды на 1 градус). Для раствора спирта теплоемкость примерно как у воды, и даже больше.

Получаем

Q = 0,86 x 9,5/4=2,05 м3

Это общий расход. Для каждой ветки получаем как 1/8 от этого значения, т.е.  0,215 м3
Подставляем это значение в калькулятор для расчета падения напора в трубах. Результаты в спойлере:

Потери напора по длине 1 ветки: 0.077 м

Исходные данные:
Внутренний диаметр трубопровода: 30 мм
Эквивалентная шероховатость трубопровода: 0.004 мм
Длина трубопровода: 135 м
Кинематическая вязкость жидкости: 0.000001 кв.м/с
Расход жидкости: 4.3 л/мин

Вычислено:
Площадь сечения трубопровода: 0.00070686 кв.м
Относительная шероховатость трубопровода: 0.00013333333333333
Скорость течения жидкости: 0.10138735628932 м/с
Число Рейнольдса: 3041.6206886795
Режим течения: Переходный (перемежаемость ламинарного и турбулентного течений)
Коэффициент гидравлического трения: 0.032514945308849
Потери напора по длине: 0.076659174139146 м

Потеря напора в параллельных трубопроводах равна потере напора в одном из них.

Потери напора в ветке от колодца до котельной 0,27м

Для участка от коллектора до котельной 15 м ПНД-40. Исходные данные:
Внутренний диаметр трубопровода: 38 мм
Эквивалентная шероховатость трубопровода: 0.004 мм
Длина трубопровода: 30 м
Кинематическая вязкость жидкости: 0.000001 кв.м/с
Расход жидкости: 34 л/мин

Вычислено:
Площадь сечения трубопровода: 0.0011341176 кв.м
Относительная шероховатость трубопровода: 0.00010526315789474
Скорость течения жидкости: 0.49965423926643 м/с
Число Рейнольдса: 18986.861092124
Режим течения: Турбулентный
Коэффициент гидравлического трения: 0.027105146360268

Потери напора по длине: 0.27228866631303 м

Т.е. получается, что для прокачки геоколлектора нужно насос с расходом 2,1 м3/ч и напором 0,08м.

Но вот что пишет нам @Decabrino #1043

про выбор циркуляционного насоса для геоконтура
Leo2 сказал(а): ↑ Если на каждом участке такое сопротивление, то на 4 параллельных участках будет еще в 4 раза меньше? Т. е. общее сопротивление будет 0,35/4=0,09 м. Или еще раз на 4 делить не надо?

Ещё раз на 4 делить не надо. Аналогия с электрическим сопротивлением в этом случае не совсем уместна. Напоры складываются при последовательном соединении, расход при этом не изменяется. При параллельном соединении расходы складываются, напор не изменяется. Гидравлическое сопротивление растёт примерно пропорционально квадрату скорости, вернее будет сказать несколько ниже квадрата скорости (так называемая область доквадратичного сопротивления) при ламинарном движении, затем скачкообразно увеличивается при переходе на турбулентный характер.

Нам требуется узнать необходимый напор насоса для того, чтобы пропихнуть нужное количество теплоносителя через определённое сечение трубы имеющейся длины. Если мы трубы параллелим, то расходы и скорости в каждой трубе разделяются на количество параллельных веток и гидравлические потери в каждой ветке снижаются быстрее (как минимум в квадрате), чем снижается скорость жидкости. Но насос то у нас остаётся один, поэтому расход насоса должен оставаться на прежнем уровне, равном суммарному расходу параллельных веток.

А вот создаваемого напора насосом при этом требуется намного меньше, чем в 4 раза. А именно, достаточно такого, чтобы протолкнуть необходимое количество теплоносителя через самую зажатую из параллельных веток. Раз хватит создаваемого напора для этой ветки, то хватит и для остальных, ведь расход насоса равен сумме расходов всех параллельных веток. Даже возможно придётся отдельные ветки поджимать, если сопротивление слишком различается, чтобы уравнять расходы, если это конечно необходимо.

Leo2 сказал(а): ↑ Какой насос есть на 1,5м и 2,5 м³/ч?

Да практически самый слабый циркуляционник, типа 32-40 может это обеспечить, правда на краю своего диапазона. Но беда в том, что при очень маленьком гидравлическом сопротивлениии 200 метров 40-ой трубы с практически ламинарным течением со скоростью 0,18 м/с, в контуре имеются ещё фитинги, разветвители, запорная арматура и пр. фурнитура, в которых течение не ламинарное. Общее сопротивление этих необходимых вещей может многократно превышать сопротивление трубы. Например только гидравлическое сопротивление ППТО при расходе 2,5 м3/час будет более 30 кПа, и никуда не денетесь от необходимости подбора насоса с учётом этого дополнительного сопротивления. Это уже только на ППТО с расходом 2,5 м3/час требуется насос 32-60 практически впритык, а если с запасом на всякие краны и фитинги, то 32-80. Каждая 200 метровая ветка чистой трубы даёт всего 3,5 кПа.

При этом хоть 4, хоть 124 параллельных ветки не потребуют применения насоса с более высокой напорной характеристикой. Как требовалось 3,5 кПа напора на одну трубу, так и 3,5 кПа напора на все трубы и останется. А вот расход насоса должен быть соответственно в 4 или 124 раза больше, по количеству параллельных веток.

про саморегулирование петель геоконтура
#2328 Балансировка примерно одинаковых петлей (с разбросом по длине 20%) нужна только в случае теплоотдачи (теплый пол), а не в случае сбора тепла из грунта. В последнем случае происходит саморегуляция потоков из-за:

1) как упоминал @Tawman зависимость от скорости квадратичная и поэтому вода с коллектора просто не захочет идти только через одну из параллельных труб, когда в соседних сопротивление гораздо меньше. Тут полная аналогия с электричеством, где мощность выделяемая на сопротивлении P = I^2 * R. Причем это правило будет так же помогать самобалансироваться и теплому полу.

2) вязкость теплоносителя (воды+спирт) возрастает с понижением температуры, причем в наших околонулевых температурах уже далеко не линейно. Поэтому если предположить что какая-та из веток теплее другой на 2 градуса из-за малого протока, то ее сопротивление резко уменьшится и холодный гликоль с удовольствием этим воспользуется. То есть этот фактор тоже способствует саморегуляции, в теплом полу он наоборот картину портит. Аналогии с электричеством тут уже нет, электросопротивление снижается по мере приближения к нулю Кельвина. Оба этих правила действуют совместно, так что не стоит тратить денег на балансировочные краны. Обычные краны поставить все же стоит – они позволяют выгнать воздух из каждой ветки в отдельности при заливке теплоносителя, а также отсекать прохудившийся контур если такое случится.

У меня есть краны на каждой ветке, все открыты на 100% и пирометр показывает примерно одинаковые (разброс в рамках погрешности) перепады температур на входе-выходе каждой параллельной трубы, хотя их длина колеблется от 90 до 105 метров.

Для геоконтура под домом – грунтового и в фундаменте

Для геоконтура в дренаже

Для солнечного коллектора

1. К вакуумному солнечному коллектору из котельной до чердака идет труба из гофрированной нержавейки 15мм, длина около 10 м (20 м всего). Солнечные коллекторы – максимум по длине конька, т.е. 7 м (это примерно 3 коллектора по 30 трубок). Расчетный расход должен быть до 9 л/минуту.

Потери напора в гофрированной трубе считаем по графику

Для моих данных 9 л/мин = 2,37 гал/мин для трубы 15А получаем потерю напора примерно 80мм/м. Для 20 м – 1,6м. Что, в принципе, согласуется с расчетами по калькулятору, где у меня получилось 1,78м. 
Таким образом, для прокачки системы с вакуумными СК нужен насос 2060.

Расчет теплоомбенников

В системе будет несколько теплообменников. Часть из них внутренние, в ТА и в бойлере. Часть – внешние. Внешние – паяные пластинчатые (ППТО).

про мощность ТО разных типов

Я считал змеевики из меди и гофронержавейки, насколько я помню, для одной и той же тепловой мощности для второго варианта нужно диаметр трубы в 2 раза больше и длину в полтора-два раза больше. Учтите, что змеевик вытесняет полезный объем из ТА, в случае с гофронержавейкой он становится ощутимым.

#32 ПТО это самая пока продвинутая система теплопередачи 5000вт/(м²*К),у коаксиальном (труба в трубе, противотоком) 1000вт/(м²*К) и змеевик в баке 500вт/(м²*К).К-это у нас температурный напор.

Хотя я бы как рекомендуют на ПТО брал бы не 5000 а 3000, это на про запас и на засоренность в будущем. А на такие показания Вам бы уже змеевека раза в 6 надо было.

про теплопроводность материалов для ТО

#10 Теплопроводности меди и железа отличаются не на 10%, а более, чем в 4 раза.

Коэффициенты теплопроводности материалов
Медь (ГОСТ 859-78*) – 407 Вт/м·К°
Алюминий (ГОСТ 22233-83) – 221 Вт/м·К°
Сталь стержневая арматурная (ГОСТ 10884-81) – 58 Вт/м·К°
Чугун – 50 Вт/м·К°

#78 Касательно использования нержавейки в теплообменниках. Действительно, теплопроводность нержавейки ниже, чем у меди, и не в 4 раза, а примерно в 22 (двадцать два) раза.

И, тем не менее, промышленность выпускает огромное количество теплообменников из нержавейки, от крошечных до гигантских. Этот “феномен” объясняется просто. При теплопередаче от жидкости к жидкости через стенку интенсивность теплопередачи зависит не столько от материала стенки, сколько от условий омывания стенки средами. Поясню в цифрах:
Теплопроводность меди – 384 вт/м*K
Теплопроводность воды – 0,55 вт/м*K, т. е. в 600 раз ниже меди. В приведенной таблице воды нет, но можете посмотреть в Инете.
Теплопроводность нержавейки – 17,5 вт/м*K, в 22 раза ниже меди
Берем медную трубку со стенкой 1 мм и, условно, принимаем тепловое сопротивление стенки за единицу. Тонкий ламинарный пристенный слой воды* толщиной 0,3 мм будет иметь тепловое сопротивление 180 единиц.
Суммарное сопротивление пирога “стенка медь +пристенный слой” – 181 ед.
А теперь поменяем медь на нержавейку. Тепловое сопротивление 1 мм нержавейки в условных единицах равно 22.
Суммарное сопротивление пирога “стенка нерж +пристенный слой” – 203 ед.
Разница – 11%. Если же учесть, что у гофрированной трубы механическая прочность трубы достигается за счет гофрирования, и стенка имеет толщину всего 0,3 мм, разница будет процента 3.

Прим*. В тепловых аккумуляторах вода практически неподвижна, поэтому характер омывания трубок снаружи ламинарный. Внутри трубок скорость большая, характер течения турбулентный, поэтому в приведенном примере я учел сопротивление пристенного слоя жидкости только с наружной стороны трубки.

Метод расчета теплообменника

Если глубоко не погружаться в гидродинамику и не грузить вас без нужды критериями Рейнольдса и Прандтля, то такой режим примерно соответствует медленному обтеканию снаружи трубок змеевика, помещенного в ТА. Вода в объеме ТА движется в основном за счет конвективного перемешивания, и скорость невелика.
Кстати, у пластинчатых теплообменников высокая мощность при небольших размерах достигается как раз за счет волнистого профиля пластин, из-за чего характер течения греющей и обогреваемой сред турбулентный, и коэффициент теплопередачи выше.

Основной теплообменник между баком водяного ТА и системой отопления:

Мощность 12 кВт при температурах на входе 35-25С, на выходе 20-30С. 12 кВт – потому что мощность ТН примерно 12 кВт, мощность ТЭНов в ТА – 12 кВт. Т.е. это максимальная мощность, которую потребуется передавать в теплые полы и бойлер.

Я принимаю для расчетов, что мне нужно передавать 12 кВт при температурах первичной стороны 35-25 градусов, а вторичной 20-30 градусов. При таких параметрах нужно прогонять примерно 1 м³/ч и площадь теплообмена примерно 0,5 м². Такие значения выдает программа подбора теплообменников Ридан. В принципе, примерно такие же значения мне предлагали в фирмах, которые продают теплообменники.

Стоимость везде примерно одинаковая – 15-20 тысяч рублей. В итоге купил в Новосибирске ППТО KAORI K050*26

характеристики ППТО для отопления

KAORI Heat Treatment Co.,Ltd. No.5-2, Chi-Lin N.Road,Chung-Li Industrial District, Taoyuan City, TAIWAN 320 Tel: 886-3-4626958 Fax: 886-3-4628021 PLATE HEAT EXCHANGER DATA SHEET

Имя Клиента : название проекта : Дата : 27.09.2017
назначение : кулер PHE код : K050*26
Кол-во пластин: 26 последовательно * параллель: 1*1
Длина : 306,0 mm Высота : 70,82 mm Ширина : 106,0 mm Вес : 4,574 kg
  Сторона 1 Сторона 2 Ед. изм
Среда Water Water  
Массовый расход 0,287 0,191 kg/s
Температура вход 40,00 20,00 C
Температура выход 30,00 35,00 C
Потери давления 4,1 1,7 kPa
Допустимые потери давления 30 30 kPa
Коэффициент загрязнения 0 0 m^2,C / W
Кол-во каналов 12 13  
Справочная температура 35 27,5 C
Плотность 992,6 995,3 kg/m^3
Удельная теплоемкость 4,178 4,184 kJ/kg,C
Теплопроводность 0,623 0,613 W/m,C
Вязкость 0,723 0,855 cP
Скорость потока 0,12 0,07 m/s
          
Разница температур 7,213 C
Поверхность теплопередачи 0,612 m^2
Тепловая нагрузка 12 kW
Запас по поверхности нагрева 11,0 %
———————————————————————–
Материал пластин 316 Пайка Copper
Рабочее давление 30 bar (max.)
Испытательное давление 43 bar (min.)
Организация потока Countercurrent
———————————————————————–
дюймовый тип соединения дюймовый тип соединения
A1 B1 A2 B2 C1 D1 C2 D2 S02-702-03

Теплообменник для солнечного коллектора на дне водяного ТА – 11 м медной трубы 15 мм диаметром. По расчетам на калькуляторе его площадь 0,51м². Принимая цифру в 0,3 кВт/м²/градус для змеевиковых ТО, получаем при разнице температур в 30 градусов он сможет передать 0,51*0,3*30 = 4,59 кВт. Этого должно быть достаточно для отбора тепла от воздушного солнечного коллектора летом.  Для вакуумного можно принять разницу температур еще больше. Но тогда нужно будет разделить контуры вакуумного и воздушного коллекторов.

Теплообменники для теплых стен получились из 2 частей – 23 и 24 витка медной трубы 15 мм².

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Энергоэффективный дом