Cálculo hidráulico de un sistema de calefacción monotubo y bitubo con fórmulas, tablas y ejemplos.
La rentabilidad del confort térmico en la casa está garantizada por el cálculo de la hidráulica, su instalación de alta calidad y su correcto funcionamiento. Los componentes principales del sistema de calefacción son una fuente de calor (caldera), una tubería principal (tuberías) y dispositivos de transferencia de calor (radiadores). Para un suministro de calor eficiente, es necesario mantener los parámetros iniciales del sistema en cualquier carga, independientemente de la temporada.
Antes de iniciar los cálculos hidráulicos, realice:
- Recopilación y procesamiento de información sobre el objeto con el fin de:
- determinar la cantidad de calor requerida;
- elección del esquema de calefacción.
- Cálculo térmico del sistema de calefacción con justificación:
- volúmenes de energía térmica;
- cargas;
- pérdida de calor.
Si el calentamiento de agua se reconoce como la mejor opción, se realiza un cálculo hidráulico.
Para calcular la hidráulica mediante programas, se requiere familiaridad con la teoría y las leyes de la resistencia. Si las fórmulas a continuación le parecen difíciles de entender, puede elegir las opciones que le ofrecemos en cada uno de los programas.
Los cálculos se realizaron en el programa Excel. El resultado final se puede ver al final de las instrucciones.
Determinación del número de puntos de control de gas de la fracturación hidráulica
Los puntos de control de gas están diseñados para reducir la presión del gas y mantenerla en un nivel determinado, independientemente del caudal.
Con un consumo estimado conocido de combustible gaseoso, el distrito de la ciudad determina el número de fracturas hidráulicas, con base en el rendimiento óptimo de fractura hidráulica (V=1500-2000 m3/hora) según la fórmula:
norte = , (27)
donde n es el número de fracturamiento hidráulico, uds.;
VR — consumo estimado de gas por distrito de la ciudad, m3/hora;
Vventa al por mayor — productividad óptima de la fracturación hidráulica, m3/hora;
n=586.751/1950=3.008 uds.
Después de determinar el número de estaciones de fracturación hidráulica, se planifica su ubicación en el plano general del distrito de la ciudad, instalándolas en el centro del área gasificada en el territorio de los barrios.
Reseña del programa
Para la comodidad de los cálculos, se utilizan programas de cálculo hidráulico para aficionados y profesionales.
El más popular es Excel.
Puede utilizar el cálculo en línea en Excel Online, CombiMix 1.0 o la calculadora hidráulica en línea. El programa estacionario se selecciona teniendo en cuenta los requisitos del proyecto.
La principal dificultad para trabajar con tales programas es la ignorancia de los conceptos básicos de hidráulica. En algunos de ellos, no hay decodificación de fórmulas, no se consideran las características de ramificación de tuberías y el cálculo de resistencias en circuitos complejos.
- HERZ C. O. 3.5 - realiza un cálculo según el método de pérdidas de presión lineales específicas.
- DanfossCO y OvertopCO pueden contar sistemas de circulación natural.
- "Flujo" (Flujo): le permite aplicar el método de cálculo con una diferencia de temperatura variable (deslizante) a lo largo de los elevadores.
Debe especificar los parámetros de entrada de datos para la temperatura: Kelvin/Celsius.
¿Qué es el cálculo hidráulico?
Esta es la tercera etapa en el proceso de creación de una red de calefacción. Es un sistema de cálculos que permite determinar:
- diámetro y rendimiento de las tuberías;
- pérdidas de presión locales en las áreas;
- requisitos de equilibrio hidráulico;
- pérdidas de presión en todo el sistema;
- caudal de agua óptimo.
De acuerdo con los datos obtenidos, se realiza la selección de bombas.
Para viviendas de temporada, en ausencia de electricidad, es adecuado un sistema de calefacción con circulación natural del refrigerante (enlace a revisión).
El propósito principal del cálculo hidráulico es asegurar que los costos calculados para los elementos del circuito coincidan con los costos (operativos) reales. La cantidad de refrigerante que entra en los radiadores debe crear un equilibrio térmico en el interior de la vivienda, teniendo en cuenta las temperaturas exteriores y las que el usuario establezca para cada estancia según su finalidad funcional (sótano +5, dormitorio +18, etc.).
Tareas complejas - minimización de costes:
- capital - instalación de tuberías de diámetro y calidad óptimos;
- Operacional:
- dependencia del consumo de energía de la resistencia hidráulica del sistema;
- estabilidad y confiabilidad;
- silencio
Reemplazar el modo de suministro de calor centralizado por uno individual simplifica el método de cálculo
Para el modo autónomo, se aplican 4 métodos de cálculo hidráulico del sistema de calefacción:
- por pérdidas específicas (cálculo estándar del diámetro de la tubería);
- por longitudes reducidas a un equivalente;
- según las características de conductividad y resistencia;
- comparación de presiones dinámicas.
Los dos primeros métodos se utilizan con una caída de temperatura constante en la red.
Los dos últimos ayudarán a distribuir agua caliente a los anillos del sistema si la caída de temperatura en la red ya no coincide con la caída en las columnas / ramales.
Resumen de programas para cálculos hidráulicos
Ejemplo de programa para el cálculo de la calefacción
De hecho, cualquier cálculo hidráulico de los sistemas de calentamiento de agua es una tarea de ingeniería compleja. Para solucionarlo, se han desarrollado una serie de paquetes de software que simplifican la implementación de este procedimiento.
Puede intentar hacer un cálculo hidráulico del sistema de calefacción en el caparazón de Excel, utilizando fórmulas preparadas. Sin embargo, pueden ocurrir los siguientes problemas:
- Gran error. En la mayoría de los casos, los esquemas de una o dos tuberías se toman como ejemplo de un cálculo hidráulico de un sistema de calefacción. Encontrar tales cálculos para el coleccionista es problemático;
- Para contabilizar correctamente la resistencia hidráulica de la tubería, se requieren datos de referencia, que no están disponibles en el formulario. Deben buscarse e ingresarse adicionalmente.
Ante estos factores, los expertos recomiendan utilizar programas para el cálculo. La mayoría son de pago, pero algunos tienen una versión de demostración con funciones limitadas.
Oventrop CO
Programa para calculo hidraulico
El programa más simple y comprensible para el cálculo hidráulico del sistema de suministro de calor. Una interfaz intuitiva y configuraciones flexibles lo ayudarán a lidiar rápidamente con los matices de la entrada de datos. Pueden surgir problemas menores durante la configuración inicial del complejo. Será necesario ingresar todos los parámetros del sistema, comenzando por el material de la tubería y terminando con la ubicación de los elementos calefactores.
Se caracteriza por la flexibilidad de la configuración, la capacidad de realizar un cálculo hidráulico simplificado de calefacción tanto para un nuevo sistema de suministro de calor como para actualizar uno antiguo. Se diferencia de los análogos en una interfaz gráfica conveniente.
Insta-Therm HCR
El paquete de software está diseñado para la resistencia hidráulica profesional del sistema de suministro de calor. La versión gratuita tiene muchas limitaciones. Alcance - diseño de calefacción en grandes edificios públicos e industriales.
En la práctica, para el suministro de calor autónomo de casas y apartamentos privados, no siempre se realiza el cálculo hidráulico. Sin embargo, esto puede provocar un deterioro en el funcionamiento del sistema de calefacción y la falla rápida de sus elementos: radiadores, tuberías y una caldera. Para evitar esto, es necesario calcular los parámetros del sistema de manera oportuna y compararlos con los reales para optimizar aún más la operación de calefacción.
Un ejemplo de un cálculo hidráulico de un sistema de calefacción:
Verificación cálculo hidráulico ramal gasoducto
El propósito del cálculo: Comprobación de la presión en la entrada a la estación de distribución de gas.
Datos iniciales:
mesa
|
Rendimiento, qday, millones de m3/día |
8,4 |
|
Presión inicial de la sección del gasoducto, Рn , MPa |
2,0 |
|
Presión final de la sección del gasoducto, Рк , MPa |
1,68 |
|
Longitud del tramo del gasoducto, L, km |
5,3 |
|
Diámetro de la sección del gasoducto, dn x, mm |
530x11 |
|
Temperatura media anual del suelo a la profundidad del gasoducto, tgr, 0C |
11 |
|
Temperatura del gas al inicio del tramo del gasoducto, tn, 0C |
21 |
|
Coeficiente de transferencia de calor del gas al suelo, k, W / (m20С) |
1,5 |
|
Capacidad calorífica del gas, cf, kcal/(kg°С) |
0,6 |
|
Composición de gases |
Tabla 1 — Composición y principales parámetros de los componentes del gas del campo de Oremburgo
|
Componente |
Fórmula química |
Concentración en fracciones de una unidad |
Masa molar, kg/kmol |
Temperatura crítica, K |
Presión crítica, MPa |
Viscosidad dinámica, kgf s/m2x10-7 |
|
Metano |
CH4 |
0,927 |
16,043 |
190,5 |
4,49 |
10,3 |
|
etano |
C2H6 |
0,022 |
30,070 |
306 |
4,77 |
8,6 |
|
Propano |
С3Н8 |
0,008 |
44,097 |
369 |
4,26 |
7,5 |
|
Butano |
С4Н10 |
0,022 |
58,124 |
425 |
3,5 |
6,9 |
|
pentano |
C5H12 |
0,021 |
72,151 |
470,2 |
3,24 |
6,2 |
Para realizar un cálculo hidráulico, primero calculamos los principales parámetros de la mezcla de gases.
Determinar el peso molecular de la mezcla de gases, M cm, kg/kmol
donde а1, а2, an — concentración volumétrica, fracciones de unidades, ;
M1, M2, Mn son las masas molares de los componentes, kg/kmol, .
Mcm = 0,927 16,043 + 0,022 30,070 + 0,008 44,097 + 0,022 58,124 +
+ 0,021 72,151 = 18,68 kg/kmol
Determinamos la densidad de la mezcla de gases, s, kg / m3,
donde M cm es el peso molecular, kg/mol;
22.414 es el volumen de 1 kilomol (número de Avogadro), m3/kmol.
Determinamos la densidad de la mezcla de gases en el aire, D,
donde es la densidad del gas, kg/m3;
1,293 es la densidad del aire seco, kg/m3.
Determinar la viscosidad dinámica de la mezcla de gases, cm, kgf s/m2
donde 1, 2, n, es la viscosidad dinámica de los componentes de la mezcla de gases, kgf s/m2, ;
Determinamos los parámetros críticos de la mezcla de gases, Tcr.cm. , A
donde Тcr1, Тcr2, Тcrn — temperatura crítica de los componentes de la mezcla de gases, K, ;
donde Pcr1, Pcr2, Pcrn son la presión crítica de los componentes de la mezcla, MPa, ;
Determinamos la presión de gas promedio en la sección del gasoducto, Рav, MPa
donde Рн es la presión inicial en la sección del gasoducto, MPa;
Pk es la presión final en el tramo del gasoducto, MPa.
Determinamos la temperatura promedio del gas a lo largo de la sección calculada del gasoducto, tav, ° С,
donde tn es la temperatura del gas al comienzo de la sección de cálculo, °С;
dn es el diámetro exterior de la sección del gasoducto, mm;
l es la longitud del tramo del gasoducto, km;
qdía es la capacidad de producción del tramo del gasoducto, en millones de m3/día;
es la densidad relativa del gas en el aire;
Cp es la capacidad calorífica del gas, kcal/(kg°C);
k- coeficiente de transferencia de calor del gas al suelo, kcal/(m2h°С);
e es la base del logaritmo natural, e = 2.718.
Determinamos la temperatura y presión reducidas del gas, Tpr y Rpr,
donde Rsr. y Tsr. son la presión y la temperatura medias del gas, MPa y K, respectivamente;
Rcr.cm y Tcr.cm. son la presión y la temperatura críticas del gas, MPa y K, respectivamente.
Determinamos el coeficiente de compresibilidad del gas según el nomograma en función de Ppr y Tpr.
Z=0,9
Para determinar la capacidad de caudal de un gasoducto o de su tramo en estado estacionario de transporte de gas, sin tener en cuenta el relieve de la ruta, se utiliza la fórmula, q, millones de m3/día,
donde din es el diámetro interno del gasoducto, mm;
Рн y Рк - presiones inicial y final de la sección del gasoducto, respectivamente, kgf/cm2;
l es el coeficiente de resistencia hidráulica (teniendo en cuenta las resistencias locales a lo largo de la ruta del gasoducto: fricción, tomas, transiciones, etc.). Se permite tomar 5% superior a ltr;
D es la gravedad específica relativa del gas en el aire;
Тav es la temperatura media del gas, K;
? — longitud del tramo del gasoducto, km;
W es el factor de compresibilidad del gas;
De la fórmula (4.13) expresamos Рк, , kgf/cm2,
El cálculo hidráulico se realiza en la siguiente secuencia. Determine el número de Reynolds, Re,
donde qday es la capacidad de paso diario del tramo de gasoducto, en millones de m3/día;
din es el diámetro interno del gasoducto, mm;
es la densidad relativa del gas;
— viscosidad dinámica del gas natural; kgf·s/m2;
Desde Re >> 4000, el modo de movimiento del gas a través de la tubería es turbulento, zona cuadrática.
El coeficiente de resistencia a la fricción para todos los regímenes de flujo de gas está determinado por la fórmula, ltr,
donde EC es la rugosidad equivalente (altura de las protuberancias que crean resistencia al movimiento del gas), EC = 0,06 mm
Determinamos el coeficiente de resistencia hidráulica de la sección del gasoducto, teniendo en cuenta sus resistencias locales promedio, l,
donde E es el coeficiente de eficiencia hidráulica, E = 0,95.
De acuerdo con la fórmula (4.14), determinamos la presión al final de la sección del gasoducto.
Conclusión: El valor de presión obtenido corresponde al de operación en el tramo final del gasoducto.
Cálculo de la hidráulica del sistema de calefacción.
Necesitamos datos del cálculo térmico del local y del diagrama axonométrico.
Paso 1: contar el diámetro de la tubería
Como datos iniciales se utilizan resultados de cálculo térmico económicamente justificados:
1a. La diferencia óptima entre refrigerante caliente (tg) y enfriado (to) para un sistema de dos tubos es de 20º
1b. Caudal de refrigerante G, kg/hora — para un sistema de tubería única.
2. La velocidad óptima del refrigerante es ν 0,3-0,7 m/s.
Cuanto menor sea el diámetro interior de las tuberías, mayor será la velocidad. Alcanzando los 0,6 m/s, el movimiento del agua empieza a ir acompañado de ruido en el sistema.
3. Caudal de calor calculado - Q, W.
Expresa la cantidad de calor (W, J) transferido por segundo (unidad de tiempo τ):
Fórmula para calcular el caudal de calor
4. Densidad estimada del agua: ρ = 971,8 kg/m3 a tav = 80 °С
5. Parámetros de la trama:
- consumo de energía - 1 kW por 30 m³
- reserva de energía térmica - 20%
- volumen de la habitación: 18 * 2,7 = 48,6 m³
- consumo de energía: 48,6 / 30 = 1,62 kW
- margen de heladas: 1,62 * 20% = 0,324 kW
- potencia total: 1,62 + 0,324 = 1,944 kW
Encontramos el valor de Q más cercano en la tabla:
Obtenemos el intervalo del diámetro interior: 8-10 mm. Trama: 3-4. Longitud de la parcela: 2,8 metros.
Paso 2: cálculo de las resistencias locales
Para determinar el material de la tubería, es necesario comparar los indicadores de su resistencia hidráulica en todas las partes del sistema de calefacción.
Factores de resistencia:
Tubos para calefacción
- en la propia tubería:
- aspereza;
- lugar de estrechamiento / expansión del diámetro;
- turno;
- longitud.
- en conexiones:
- tee;
- válvula de bola;
- dispositivos de equilibrio.
La sección calculada es una tubería de diámetro constante con un flujo de agua constante correspondiente al balance de calor de diseño de la habitación.
Para determinar las pérdidas se toman datos teniendo en cuenta la resistencia en las válvulas de control:
- longitud de la tubería en la sección de diseño / l, m;
- diámetro de la tubería de la sección calculada / d, mm;
- velocidad supuesta del refrigerante/u, m/s;
- datos de la válvula de control del fabricante;
- dato de referencia:
- coeficiente de fricción/λ;
- pérdidas por fricción/∆Рl, Pa;
- densidad líquida calculada/ρ = 971,8 kg/m3;
- Especificaciones del producto:
- rugosidad de tubería equivalente/ke mm;
- espesor de pared de tubería/dн×δ, mm.
Para materiales con valores ke similares, los fabricantes proporcionan el valor de la pérdida de carga específica R, Pa/m para toda la gama de tuberías.
Para determinar de forma independiente las pérdidas por fricción específicas / R, Pa / m, es suficiente conocer el d exterior de la tubería, el espesor de pared / dn × δ, mm y la tasa de suministro de agua / W, m / s (o flujo de agua / G , kg/h).
Para buscar la resistencia hidráulica / ΔP en una sección de la red, sustituimos los datos en la fórmula de Darcy-Weisbach:
Paso 3: equilibrado hidráulico
Para equilibrar las caídas de presión, necesitará válvulas de cierre y control.
- carga de diseño (tasa de flujo másico del refrigerante - agua o líquido de baja congelación para sistemas de calefacción);
- datos de fabricantes de tuberías sobre resistencia dinámica específica / A, Pa / (kg / h) ²;
- Características técnicas de los accesorios.
- el número de resistencias locales en la zona.
Tarea. igualar las pérdidas hidráulicas en la red.
En el cálculo hidráulico de cada válvula se especifican las características de instalación (montaje, caída de presión, caudal). De acuerdo con las características de resistencia, se determinan los coeficientes de fuga en cada elevador y luego en cada dispositivo.
Fragmento de las características de fábrica de la válvula de mariposa
Elijamos el método de las características de resistencia S, Pa / (kg / h) ² para los cálculos.
Las pérdidas de presión / ∆P, Pa son directamente proporcionales al cuadrado del caudal de agua en el área / G, kg / h:
- ξpr es el coeficiente reducido para las resistencias locales de la sección;
- A es la presión específica dinámica, Pa/(kg/h)².
La presión específica es la presión dinámica que se produce a un caudal másico de 1 kg/h de refrigerante en una tubería de un diámetro dado (la información la proporciona el fabricante).
Σξ es el término de los coeficientes para las resistencias locales en la sección.
Coeficiente reducido:
Paso 4: Determinación de pérdidas
La resistencia hidráulica en el anillo de circulación principal está representada por la suma de las pérdidas de sus elementos:
- circuito primario/ΔPIk ;
- sistemas locales/ΔPm;
- generador de calor/ΔPtg;
- intercambiador de calor/ΔPto.
La suma de los valores nos da la resistencia hidráulica del sistema / ΔPco:
Cálculo hidráulico del gasoducto intershop
La capacidad de producción de los gasoductos debe tomarse de las condiciones para crear, con la máxima pérdida de presión de gas permisible, el sistema en operación más económico y confiable, asegurando la estabilidad de la operación de fracturación hidráulica y unidades de control de gas (GRU), como así como la operación de quemadores de consumo en rangos aceptables de presión de gas.
Los diámetros internos estimados de los gasoductos se determinan con base en la condición de garantizar el suministro ininterrumpido de gas a todos los consumidores durante las horas de máximo consumo de gas.
Los valores de la pérdida de presión de gas calculada al diseñar gasoductos de todas las presiones para empresas industriales se toman según la presión del gas en el punto de conexión, teniendo en cuenta las características técnicas del equipo de gas aceptado para la instalación, dispositivos de automatización de seguridad y control automático del régimen tecnológico de las unidades térmicas.
La caída de presión para redes de media y alta presión está determinada por la fórmula
donde Pn es la presión absoluta al inicio del gasoducto, MPa;
Рк – presión absoluta al final del gasoducto, MPa;
Р0 = 0,101325 MPa;
l es el coeficiente de fricción hidráulica;
l es la longitud estimada de un gasoducto de diámetro constante, m;
d es el diámetro interno del gasoducto, cm;
r0 – densidad del gas en condiciones normales, kg/m3;
Q0 – consumo de gas, m3/h, en condiciones normales;
Para gasoductos externos sobre el suelo e internos, la longitud estimada de los gasoductos está determinada por la fórmula
donde l1 es la longitud real del gasoducto, m;
Sx es la suma de los coeficientes de las resistencias locales de la sección del gasoducto;
Al realizar un cálculo hidráulico de gasoductos, el diámetro interno calculado del gasoducto debe determinarse preliminarmente mediante la fórmula
donde dp es el diámetro calculado, cm;
A, B, t, t1 - coeficientes determinados según la categoría de la red (por presión) y el material del gasoducto;
Q0 es el caudal de gas calculado, m3/h, en condiciones normales;
DPr - pérdida de presión específica, MPa / m, determinada por la fórmula
donde DPdop – pérdida de presión admisible, MPa/m;
L es la distancia al punto más lejano, m.
donde Р0 = 0,101325 MPa;
Pt: presión de gas promedio (absoluta) en la red, MPa.
donde Pn, Pk son la presión inicial y final en la red, respectivamente, MPa.
Aceptamos un esquema de suministro de gas sin salida. Realizamos el trazado del gasoducto entre talleres de alta presión. Dividimos la red en secciones separadas. El esquema de diseño del gasoducto entre tiendas se muestra en la Figura 1.1.
Determinamos las pérdidas de presión específicas para gasoductos entre talleres:
Determinamos preliminarmente el diámetro interno calculado en las secciones de la red:
Dispositivos de intercambio de calor
El uso eficiente del calor en los hornos rotatorios solo es posible cuando se instala un sistema de intercambiadores de calor en el horno y en el horno. Intercambiadores de calor dentro del horno.
sistema de fachada
Para dar al edificio reconstruido una apariencia arquitectónica moderna y aumentar radicalmente el nivel de protección térmica de las paredes exteriores, el sistema de “venas.
casa tecno
Este estilo, que surgió en los años 80 del siglo pasado, como una especie de respuesta irónica a las brillantes perspectivas de industrialización y el dominio del progreso tecnológico, proclamado en sus inicios.
Como trabajar en EXCEL
El uso de hojas de cálculo de Excel es muy conveniente, ya que los resultados del cálculo hidráulico siempre se reducen a una forma tabular. Basta con determinar la secuencia de acciones y preparar fórmulas exactas.
Introduciendo datos iniciales
Se selecciona una celda y se ingresa un valor. Toda otra información simplemente se tiene en cuenta.
- el valor D15 se recalcula en litros, por lo que es más fácil percibir el caudal;
- celda D16: agregue formato de acuerdo con la condición: "Si v no cae en el rango de 0.25 ... 1.5 m / s, entonces el fondo de la celda es rojo / la fuente es blanca".
Para tuberías con diferencia de altura entre la entrada y la salida, a los resultados se suma la presión estática: 1 kg/cm2 por 10 m.
Registro de resultados
El esquema de color del autor lleva una carga funcional:
- Las celdas de color turquesa claro contienen los datos originales; se pueden cambiar.
- Las celdas de color verde pálido son constantes de entrada o datos que están poco sujetos a cambios.
- Las celdas amarillas son cálculos preliminares auxiliares.
- Las celdas de color amarillo claro son los resultados de los cálculos.
- Fuentes:
- azul - datos iniciales;
- negro: resultados intermedios/no principales;
- rojo: los resultados principales y finales del cálculo hidráulico.
Resultados en hoja de cálculo de Excel
Ejemplo de Alexander Vorobyov
Un ejemplo de un cálculo hidráulico simple en Excel para una sección de tubería horizontal.
- longitud de tubería 100 metros;
- ø108mm;
- espesor de pared 4 mm.
Tabla de resultados de cálculo de resistencias locales
Al complicar los cálculos paso a paso en Excel, es mejor que domines la teoría y ahorres parcialmente en el trabajo de diseño. Gracias a un enfoque competente, su sistema de calefacción será óptimo en términos de costos y transferencia de calor.
