Mat 7 - Grawitacja dolny

Materiały do ćwiczeń z ogrzewnictwa
1.2.1 Pojęcia podstawowe
1. Wodne grawitacyjne instalacje
centralnego ogrzewania
Działka
1.1 Wprowadzenie
Obieg - w skład obiegu wchodzą:
• źródło ciepła (kocioł, wymiennik ciepła);
• grzejnik;
• przewody łączące źródło ciepła z grzejnikiem.
KrąŜenie wody w instalacji spowodowane jest przez ciśnienie
grawitacyjne powstałe w wyniku róŜnicy gęstości wody w przewodach
zasilających i powrotnych. Wielkość ciśnienia grawitacyjnego (∆
∆pgr)
zaleŜy od róŜnicy gęstości wody oraz od róŜnicy wysokości między
środkiem grzejnika i środkiem źródła ciepła.
∆p gr = (ρ p − ρ z ) ⋅ 9.81 ⋅ h; [Pa]
- odcinek przewodu o stałej średnicy wraz z zamontowanymi
na nim urządzeniami, przez który płynie jednakowa ilość
wody
Obieg najbardziej niekorzystny - obieg przez najniŜej zainstalowany
grzejnik znajdujący się w najdalszym pionie w stosunku do
źródła ciepła.
[ 1.1]
Ciśnienie czynne ∆pcz - róŜnica ciśnienia powodująca krąŜenie
czynnika grzejnego w poszczególnych obiegach (dla instalacji
grawitacyjnych ∆pcz = ∆pgr);
gdzie:
ρp - gęstość wody o temperaturze tp, kg/m3;
ρz - gęstość wody o temperaturze tz, kg/m3;
h - róŜnica wysokości między środkiem grzejnika i środkiem źródła
ciepła (rys. 1.2), m.
Zastosowanie:
•
ogrzewanie niewielkich budynków z własnym źródłem ciepła;
•
odległość źródła ciepła do najdalszego pionu ≤ 25 m;
•
róŜnica wysokości między środkiem najniŜszego grzejnika i
środkiem źródła ciepła ≥ 2m.
Zalety:
•
pewne działanie (brak pompy obiegowej);
•
niskie koszty eksploatacyjne.
Wady:
•
ograniczony zasięg;
•
znaczna bezwładność;
•
duŜe średnice przewodów (wysokie koszty inwestycyjne);
Samoczynny
odpowietrznik
o
Gałązki
Pion
gdzie:
Qogrz
cw
tz
tp
c w ⋅ (t z − t p )
; [kg/s]
Zawór
grzejnikowy
Grzejnik
h
Zawory
odcinające
Zadaniem sieci przewodów jest doprowadzenie odpowiedniej ilości
czynnika grzejnego do kaŜdego grzejnika. Obliczeniowe strumienie wody
dopływającej do poszczególnych grzejników określa wzór:
QOgrz
Naczynie
wzbiorcze
o
1.2 Projektowanie sieci przewodów
G=
o
Kocioł
[ 1.2]
- obliczeniowa moc cieplna grzejnika nie uwzględniająca
zysków ciepła, W;
- ciepło właściwe wody 4186 J/(kg⋅K);
- obliczeniowa temperatura wody zasilającej instalację, °C;
- obliczeniowa temperatura wody powracającej z instalacji, °C.
Rys. 1.2. Instalacja grawitacyjna z rozdziałem dolnym
1.2.2 ZałoŜenia
Przy projektowaniu sieci przewodów przyjmowane są następujące
załoŜenia:
•
pomijamy wpływ schłodzenia wody w przewodach na wartość
ciśnienia grawitacyjnego (do obliczeń hydraulicznych zakładamy
wartość ρz = const i ρp = const odpowiadające obliczeniowym tz i
tp.);
•
przyjmujemy liniowe schłodzenie wody w źródle ciepła i w
grzejnikach;
•
ciśnienia czynne są róŜne w poszczególnych obiegach.
Projektowanie sieci przewodów polega na dobraniu średnic przewodów i
elementów regulacyjnych w sposób zapewniający:
• odpowiedni rozdział czynnika grzejnego do poszczególnych
grzejników;
• stateczność cieplną i hydrauliczną instalacji;
• optymalne koszty materiałowe i eksploatacyjne.
1
1.2.3 Obliczanie ciśnienia czynnego w obiegu
W instalacjach grawitacyjnych ciśnienie czynne w obiegu równe jest
ciśnieniu grawitacyjnemu i wynosi:
∆pcz = (ρ p − ρ z ) ⋅ 9.81 ⋅ h + ∆pdod ; [Pa]
[ 1.3]
gdzie:
ρp - gęstość wody o temperaturze tp, kg/m3;
ρz - gęstość wody o temperaturze tz, kg/m3;
h - róŜnica wysokości między środkiem grzejnika i środkiem źródła
ciepła (rys. 1.2), m;
∆pdod - dodatkowe ciśnienie czynne spowodowane schłodzeniem wody
w przewodach rozprowadzających, [Pa]:
∆pdod = 0 - dla rozdziału dolnego;
∆pdod > 0 - dla rozdziału górnego (metoda obliczania w dalszej
części materiałów);
2
Rys. 1.1. Przykłady działek
Strona 1
Materiały do ćwiczeń z ogrzewnictwa
1.2.4 Określanie oporów hydraulicznych
działek
Ror =
gdzie:
R - jednostkowa liniowa strata ciśnienia w przewodzie obliczona wg.
wzoru, Pa/m;
L - długość działki, m;
Z - straty ciśnienia wywołane przez opory miejscowe (wzór ), Pa;
Jednostkowe straty liniowe moŜna określić ze wzoru:
δ=
4⋅G
; [m / s]
Π ⋅ d 2w ⋅ ρ
⋅ 100% ≤ 10%
[ 1.11]
Jeśli powyŜsza zaleŜność nie jest spełniona, to naleŜy zmienić średnice
przewodów, a w przypadku wyczerpania wszystkich moŜliwości
zastosować elementy dławiące nadmiar ciśnienia w obiegu.
1.2.7 Określanie nadmiarów ciśnienia w
obiegach
Nadmiary ciśnienia do zdławienia w poszczególnych obiegach wyznacza
się z zaleŜności:
∆pnad ,i = ∆pcz ,i − (R ⋅ L + Z )obiegu ,i ; [Pa] [ 1.12]
[ 1.6]
∑
gdzie:
G - strumień masowy wody płynącej w działce, kg/s;
gdzie:
∆pcz,i - ciśnienie czynne w i-tym obiegu, Pa;
Σ(RL+Z)obiegu,i - suma oporów hydraulicznych działek w i-tym
obiegu, Pa.
Wartość R moŜna równieŜ odczytać z Nom. 1.1.
Do obliczania strat miejscowych słuŜy wzór:
w2
Z = ∑ζ⋅
⋅ ρ; [Pa]
2
∆pcz
gdzie:
∆pcz
- ciśnienie czynne w obiegu, Pa;
Σ(RL+Z)obiegu - suma oporów hydraulicznych działek w obiegu, Pa.
- prędkość wody w przewodzie, m/s określona ze wzoru:
w=
∆pcz − (∑ (R ⋅ L + Z )obiegu )
[ 1.5]
gdzie:
λ - współczynnik oporów liniowych zaleŜny od średnicy i
chropowatości przewodu oraz od prędkości przepływającego
czynnika;
dw - średnica wewnętrzna przewodu, m;
ρz - gęstość wody w przewodzie, kg/m3;
w
[ 1.10]
; [Pa/m]
- ciśnienie czynne w obiegu, Pa;
- suma długości działek w najbardziej niekorzystnym obiegu,
m;
ΣLn
- suma długości nowych działek w obiegu, m;
Σ(RL+Z)dz.wsp. - suma oporów hydraulicznych działek wspólnych, Pa.
Przewody blisko źródła ciepła dobieramy dla R nieco większego od Ror a
przewody blisko grzejników dla R mniejszego od Ror.
Po wstępnym dobraniu średnic naleŜy sprawdzić, czy spełniony został
wcześniej podany warunek.
[ 1.4]
λ w2
R=
⋅
⋅ ρ; [Pa / m]
dw 2
∑ Ln
gdzie:
∆pcz
ΣL
Opór hydrauliczny działki określa wzór:
∆pdz = R ⋅ L + Z; [Pa]
(0.5 ÷ 0.67 ) ⋅ (∆pcz − ∑ (R ⋅ L + Z )dz.wsp . )
1.2.8 Dobór elementów dławiących.
gdzie:
Σζ - suma współczynników oporów miejscowych występujących na
działce;
Namiary ciśnienia w obiegach naleŜy dławić w działkach z
grzejnikami.
Do ich zdławienia naleŜy stosować armaturę słuŜącą do regulacji wstępnej
(zawory grzejnikowe i zawory odcinające z regulacją wstępną), lub kryzy
dławiące. W przypadku kryz dławiących ich średnicę moŜna określić ze
wzoru:
Opory miejscowe na granicy działek zaliczamy do działki o mniejszym
przepływie.
dkr = 192 ⋅ 4
[ 1.7]
Wartość Z moŜna równieŜ odczytać z Nom. 1.2.
gdzie:
G
∆pnad
1.2.5 Określanie oporów hydraulicznych
obiegów
n
i =1
n
i =1
Dobierając średnice naleŜy mieć na uwadze spełnienia następującego
warunku:
Wartości oporu hydraulicznego i ciśnienia czynnego powinny być do
siebie zbliŜone. Błąd nie powinien przekraczać 10 %:
∆pcz ≈ ∆pobj ; δ ≤ 10%
Dobór średnic naleŜy rozpoczynać od najbardziej niekorzystnego obiegu.
Do wstępnego doboru średnic określamy orientacyjną jednostkową stratę
ciśnienia która:
• dla najniekorzystniejszego (pierwszego) obiegu wynosi:
•
(0.5 ÷ 0.67) ⋅ ∆pcz ; [Pa/m]
- strumień masowy wody płynącej przez kryzę, kg/s;
- nadmiar ciśnienia do zdławienia, Pa.
Grzejniki:
Ze względu na warunki wymiany ciepła grzejniki naleŜy umieszczać
pod oknami lub przy drzwiach balkonowych, przy ścianach zewnętrznych,
w miejscach zapewniających swobodny przepływ powietrza. NaleŜy
unikać umieszczania grzejników pod stropem pomieszczenia oraz nie
dopuszczać do zbytniego osłonięcia grzejników przez obudowy.
Przewody:
Przy projektowaniu sieci przewodów naleŜy zapewnić moŜliwość
prawidłowego odpowietrzenia i odwodnienia instalacji. Sieć przewodów
powinna moŜliwie najkrótszą drogą łączyć źródło ciepła z grzejnikami.
Zarówno w przypadku grzejników jak i przewodów naleŜy brać pod
uwagę względy architektoniczne (estetyka, kolizje z konstrukcją budynku
i z innymi instalacjami).
[ 1.8]
1.2.6 Dobór średnic przewodów
Ror1 =
[ 1.13]
1.2.9 Zasady rozmieszczania grzejników i
prowadzenia przewodów
Opór hydrauliczny obiegu jest równy sumie oporów działek
wchodzących w jego skład:
∆p obj = ∑ (Ri ⋅ Li + Z i ) = ∑ ∆p dzi ; [Pa]
G2
; [mm]
∆p nad
[ 1.9]
∑ Li
dla kolejnych obiegów wynosi:
Strona 2
Materiały do ćwiczeń z ogrzewnictwa
Nom. 1.1. Określanie jednostkowych liniowych strat ciśnienia w przewodach
Strona 3
Materiały do ćwiczeń z ogrzewnictwa
Nom. 1.2. Określanie strat ciśnienia w oporach miejscowych
Strona 4
Materiały do ćwiczeń z ogrzewnictwa
1.2.10 Przykład projektowania sieci przewodów z rozdziałem dolnym
W oparciu o rzuty i rozwinięcie instalacji c.o. dobrać średnice przewodów dla obiegów przez grzejniki nr 1i nr 7 w pionie nr 7.
Dane wyjściowe:
• parametry wody instalacyjnej: tz/tp = 90/70 °C;
• w instalacji zastosowano grzejniki typu: T1;
• oznaczenia działek i obciąŜenia cieplne oraz wymiary naleŜy przyjąć zgodnie z załączonymi rysunkami.
4
3
2
5
1
6
Rys. 1. Rzut piwnic skala 1:100
3
4
102
101
107
108
2
5
104
103
105
109
106
110
112
111
1
6
Rys. 2. Rzut typowej kondygnacji skala 1:100
Strona 5
Materiały do ćwiczeń z ogrzewnictwa
NW
307
308
560
680
310
311
312
460
360
560
3.0
33
9.00
34
1240
207
820
110
29
460
580
20
28
10
112
470
3.0
9
8
19
3310
7
780
25
1180
10
26
8
680
510
24
490
H
4770
- 2.48
10120
23
4
12
7
650
3.0
6
17
0.00
2520
11
18
"a"
5
1710
111
340
360
27
3.00
20240
3.0
11
108
RB
35
470
12
21
2270
212
13
320
30
31
920
211
22
360
570
107
10120
460
210
32
208
460
6.00
14
15
5350
1
"a"
1690
3660
16
2
3
- 3.00
4
6
5
Rys. 1.3. Rozwinięcie instalacji c.o. skala pionowa 1:100
t
°C
60
70
80
90
100
0.25 m
0.25 m
0.20 m
0.30 m
0.10 m
ρ
kg/m3
983.2
977.8
971.8
965.3
958.4
Gęstość wody w funkcji temperatury
Rys. 1.4. Schemat podłączenia grzejnika
Strona 6
3.0