Cálculo hidráulico de um sistema de aquecimento de um tubo e dois tubos com fórmulas, tabelas e exemplos
A rentabilidade do conforto térmico na casa é garantida pelo cálculo da hidráulica, sua instalação de alta qualidade e operação adequada. Os principais componentes do sistema de aquecimento são uma fonte de calor (caldeira), uma fonte de calor (tubos) e dispositivos de transferência de calor (radiadores). Para um fornecimento de calor eficiente, é necessário manter os parâmetros iniciais do sistema em qualquer carga, independentemente da estação do ano.
Antes de iniciar os cálculos hidráulicos, execute:
- Coleta e processamento de informações sobre o objeto para:
- determinar a quantidade de calor necessária;
- escolha do esquema de aquecimento.
- Cálculo térmico do sistema de aquecimento com justificativa:
- volumes de energia térmica;
- cargas;
- perda de calor.
Se o aquecimento de água for reconhecido como a melhor opção, é realizado um cálculo hidráulico.
Para calcular a hidráulica usando programas, é necessária familiaridade com a teoria e as leis de resistência. Se as fórmulas abaixo parecerem difíceis de entender, você pode escolher as opções que oferecemos em cada um dos programas.
Os cálculos foram realizados no programa Excel. O resultado final pode ser visto no final das instruções.
Determinação do número de pontos de controle de gás de fraturamento hidráulico
Os pontos de controle de gás são projetados para reduzir a pressão do gás e mantê-la em um determinado nível, independentemente da vazão.
Com um consumo estimado de combustível gasoso conhecido, o distrito da cidade determina o número de fraturamento hidráulico, com base no desempenho ótimo de fraturamento hidráulico (V=1500-2000 m3/hora) de acordo com a fórmula:
n = , (27)
onde n é o número de fraturamento hidráulico, pcs.;
VR — consumo estimado de gás por distrito da cidade, m3/hora;
Vatacado — produtividade ótima de fraturamento hidráulico, m3/hora;
n=586,751/1950=3,008 peças.
Após determinar o número de estações de fraturamento hidráulico, sua localização é planejada no plano geral do distrito da cidade, instalando-as no centro da área gaseificada no território dos bairros.
Visão geral do programa
Para a conveniência dos cálculos, são usados programas amadores e profissionais para calcular a hidráulica.
O mais popular é o Excel.
Você pode usar o cálculo online no Excel Online, CombiMix 1.0 ou na calculadora hidráulica online. O programa estacionário é selecionado levando em consideração os requisitos do projeto.
A principal dificuldade em trabalhar com tais programas é o desconhecimento dos fundamentos da hidráulica. Em alguns deles, não há decodificação de fórmulas, as características de ramificação de dutos e o cálculo de resistências em circuitos complexos não são considerados.
- HERZ C.O. 3.5 - faz um cálculo de acordo com o método de perdas de pressão lineares específicas.
- DanfossCO e OvertopCO podem contar sistemas de circulação natural.
- "Flow" (Flow) - permite aplicar o método de cálculo com uma diferença de temperatura variável (deslizante) ao longo dos risers.
Você deve especificar os parâmetros de entrada de dados para temperatura - Kelvin / Celsius.
O que é cálculo hidráulico
Esta é a terceira etapa do processo de criação de uma rede de aquecimento. É um sistema de cálculos que permite determinar:
- diâmetro e vazão de tubos;
- perdas de pressão locais nas áreas;
- requisitos de balanceamento hidráulico;
- perdas de pressão em todo o sistema;
- fluxo de água ideal.
De acordo com os dados obtidos, é realizada a seleção das bombas.
Para habitação sazonal, na ausência de eletricidade, é adequado um sistema de aquecimento com circulação natural do líquido de refrigeração (link para revisão).
O principal objetivo do cálculo hidráulico é garantir que os custos calculados para os elementos do circuito coincidam com os custos reais (operacionais). A quantidade de refrigerante que entra nos radiadores deve criar um equilíbrio térmico no interior da casa, tendo em conta as temperaturas exteriores e as definidas pelo utilizador para cada divisão de acordo com a sua finalidade funcional (cave +5, quarto +18, etc.).
Tarefas complexas - minimização de custos:
- capital - instalação de tubos de diâmetro e qualidade ideais;
- operacional:
- dependência do consumo de energia da resistência hidráulica do sistema;
- estabilidade e confiabilidade;
- silêncio.
Substituir o modo de fornecimento de calor centralizado por um individual simplifica o método de cálculo
Para o modo autônomo, são aplicáveis 4 métodos de cálculo hidráulico do sistema de aquecimento:
- por perdas específicas (cálculo padrão do diâmetro do tubo);
- por comprimentos reduzidos a um equivalente;
- de acordo com as características de condutividade e resistência;
- comparação de pressões dinâmicas.
Os dois primeiros métodos são usados com uma queda constante de temperatura na rede.
Os dois últimos ajudarão a distribuir água quente para os anéis do sistema caso a queda de temperatura na rede não corresponda mais à queda nos risers/ramificações.
Visão geral dos programas para cálculos hidráulicos
Exemplo de programa para cálculo de aquecimento
De fato, qualquer cálculo hidráulico de sistemas de aquecimento de água é uma tarefa complexa de engenharia. Para resolvê-lo, foram desenvolvidos vários pacotes de software que simplificam a implementação deste procedimento.
Você pode tentar fazer um cálculo hidráulico do sistema de aquecimento no shell do Excel, usando fórmulas prontas. No entanto, podem ocorrer os seguintes problemas:
- Grande erro. Na maioria dos casos, esquemas de um ou dois tubos são tomados como exemplo de cálculo hidráulico de um sistema de aquecimento. Encontrar tais cálculos para o coletor é problemático;
- Para contabilizar corretamente a resistência hidráulica da tubulação, são necessários dados de referência, que não estão disponíveis no formulário. Eles precisam ser pesquisados e inseridos adicionalmente.
Diante desses fatores, os especialistas recomendam o uso de programas para cálculo. A maioria deles é paga, mas alguns têm uma versão demo com recursos limitados.
Oventrop CO
Programa para cálculo hidráulico
O programa mais simples e compreensível para o cálculo hidráulico do sistema de fornecimento de calor. Uma interface intuitiva e configurações flexíveis o ajudarão a lidar rapidamente com as nuances da entrada de dados. Pequenos problemas podem surgir durante a configuração inicial do complexo. Será necessário inserir todos os parâmetros do sistema, começando pelo material do tubo e terminando com a localização dos elementos de aquecimento.
Caracteriza-se pela flexibilidade das configurações, a capacidade de fazer um cálculo hidráulico simplificado do aquecimento tanto para um novo sistema de fornecimento de calor quanto para atualizar um antigo. Difere dos análogos em uma interface gráfica conveniente.
Insta-Therm HCR
O pacote de software é projetado para resistência hidráulica profissional do sistema de fornecimento de calor. A versão gratuita tem muitas limitações. Escopo - projeto de aquecimento em grandes edifícios públicos e industriais.
Na prática, para o fornecimento autônomo de calor de casas e apartamentos particulares, o cálculo hidráulico nem sempre é realizado. No entanto, isso pode levar a uma deterioração na operação do sistema de aquecimento e à falha rápida de seus elementos - radiadores, tubos e caldeira. Para evitar isso, é necessário calcular os parâmetros do sistema em tempo hábil e compará-los com os reais para otimizar ainda mais a operação de aquecimento.
Um exemplo de cálculo hidráulico de um sistema de aquecimento:
Verificação do cálculo hidráulico do ramal do gasoduto
Objetivo do cálculo: Verificar a pressão na entrada do posto de distribuição de gás.
Dados iniciais:
tabela
|
Rendimento, qday, milhões de m3/dia |
8,4 |
|
Pressão inicial do trecho do gasoduto, Рn , MPa |
2,0 |
|
Pressão final do trecho do gasoduto, Рк , MPa |
1,68 |
|
Comprimento da seção do gasoduto, L, km |
5,3 |
|
Diâmetro da seção do gasoduto, dn x, mm |
530 x 11 |
|
Temperatura média anual do solo na profundidade do gasoduto, tgr, 0C |
11 |
|
Temperatura do gás no início da seção do gasoduto, tn, 0C |
21 |
|
Coeficiente de transferência de calor do gás para o solo, k, W / (m20С) |
1,5 |
|
Capacidade calorífica do gás, cf, kcal/(kg°C) |
0,6 |
|
Composição do gás |
Tabela 1 — Composição e principais parâmetros dos componentes do gás do campo de Orenburg
|
Componente |
Fórmula química |
Concentração em frações de uma unidade |
Massa molar, kg/kmol |
Temperatura crítica, K |
Pressão crítica, MPa |
Viscosidade dinâmica, 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 um cálculo hidráulico, primeiro calculamos os principais parâmetros da mistura de gases.
Determine o peso molecular da mistura gasosa, M cm, kg / kmol
onde а1, а2, um — concentração volumétrica, frações de unidades, ;
M1, M2, Mn são as massas molares dos 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 a densidade da mistura de gases, s, kg / m3,
onde M cm é o peso molecular, kg/mol;
22,414 é o volume de 1 quilomole (número de Avogadro), m3/kmol.
Determinamos a densidade da mistura gasosa no ar, D,
onde é a densidade do gás, kg/m3;
1,293 é a densidade do ar seco, kg/m3.
Determine a viscosidade dinâmica da mistura gasosa, cm, kgf s/m2
onde 1, 2, n, é a viscosidade dinâmica dos componentes da mistura gasosa, kgf s/m2, ;
Determinamos os parâmetros críticos da mistura gasosa, Tcr.cm. , PARA
em que Тcr1, Тcr2, Тcrn — temperatura crítica dos componentes da mistura gasosa, K, ;
onde Pcr1, Pcr2, Pcrn são a pressão crítica dos componentes da mistura, MPa, ;
Determinamos a pressão média do gás na seção do gasoduto, Рav, MPa
onde Рн é a pressão inicial na seção do gasoduto, MPa;
Pk é a pressão final na seção do gasoduto, MPa.
Determinamos a temperatura média do gás ao longo do comprimento da seção calculada do gasoduto, tav, ° С,
onde tn é a temperatura do gás no início da seção de cálculo, °C;
dn é o diâmetro externo da seção do gasoduto, mm;
l é o comprimento da seção do gasoduto, km;
qday é a capacidade de movimentação do trecho do gasoduto, milhões de m3/dia;
é a densidade relativa do gás no ar;
Cp é a capacidade calorífica do gás, kcal/(kg°C);
k- coeficiente de transferência de calor do gás para o solo, kcal/(m2h°С);
e é a base do logaritmo natural, e = 2,718.
Determinamos a temperatura e pressão reduzidas do gás, Tpr e Rpr,
onde Rs. e Tr. são a pressão e a temperatura médias do gás, MPa e K, respectivamente;
Rcr.cm e Tcr.cm. são a pressão crítica e a temperatura do gás, MPa e K, respectivamente.
Determinamos o coeficiente de compressibilidade do gás de acordo com o nomograma dependendo de Ppr e Tpr.
Z=0,9
Para determinar a capacidade de vazão de um gasoduto ou de seu trecho no estado estacionário de transporte de gás, sem levar em consideração o relevo da rota, use a fórmula, q, milhões de m3 / dia,
onde din é o diâmetro interno do gasoduto, mm;
Рн e Рк - pressões iniciais e finais do trecho do gasoduto, respectivamente, kgf/cm2;
l é o coeficiente de resistência hidráulica (considerando as resistências locais ao longo do percurso do gasoduto: atrito, derivações, transições, etc.). É permitido tomar 5% maior que ltr;
D é a gravidade específica relativa do gás no ar;
Тav é a temperatura média do gás, K;
? — comprimento do troço do gasoduto, km;
W é o fator de compressibilidade do gás;
Da fórmula (4.13) expressamos Рк, , kgf/cm2,
O cálculo hidráulico é realizado na seguinte sequência. Determine o número de Reynolds, Re,
onde qday é a capacidade diária de movimentação do trecho do gasoduto, milhões de m3/dia;
din é o diâmetro interno do gasoduto, mm;
é a densidade relativa do gás;
— viscosidade dinâmica do gás natural; kgf s/m2;
Desde Re >> 4000, o modo de movimento do gás através do gasoduto é turbulento, zona quadrática.
O coeficiente de resistência ao atrito para todos os regimes de fluxo de gás é determinado pela fórmula, ltr ,
onde EC é a rugosidade equivalente (altura das saliências que criam resistência ao movimento do gás), EC = 0,06 mm
Determinamos o coeficiente de resistência hidráulica da seção do gasoduto, levando em consideração suas resistências locais médias, l,
onde E é o coeficiente de eficiência hidráulica, E = 0,95.
De acordo com a fórmula (4.14), determinamos a pressão no final da seção do gasoduto.
Conclusão: O valor de pressão obtido corresponde ao operacional no trecho final do gasoduto.
Cálculo da hidráulica do sistema de aquecimento
Precisamos de dados do cálculo térmico das instalações e do diagrama axonométrico.
Passo 1: conte o diâmetro do tubo
Como dados iniciais, são usados os resultados economicamente justificados do cálculo térmico:
1a. A diferença ideal entre o refrigerante quente (tg) e resfriado (to) para um sistema de dois tubos é de 20º
1b. Taxa de fluxo do refrigerante G, kg/hora — para um sistema de um tubo.
2. A velocidade ideal do refrigerante é ν 0,3-0,7 m/s.
Quanto menor o diâmetro interno dos tubos, maior a velocidade. Atingindo 0,6 m/s, o movimento da água começa a ser acompanhado por ruídos no sistema.
3. Taxa de fluxo de calor calculada - Q, W.
Expressa a quantidade de calor (W, J) transferida por segundo (unidade de tempo τ):
Fórmula para calcular a taxa de fluxo de calor
4. Densidade estimada da água: ρ = 971,8 kg/m3 em tav = 80 °С
5. Parâmetros de plotagem:
- consumo de energia - 1 kW por 30 m³
- reserva de energia térmica - 20%
- volume da sala: 18 * 2,7 = 48,6 m³
- consumo de energia: 48,6 / 30 = 1,62 kW
- margem de geada: 1,62 * 20% = 0,324 kW
- potência total: 1,62 + 0,324 = 1,944 kW
Encontramos o valor Q mais próximo na tabela:
Obtemos o intervalo do diâmetro interno: 8-10 mm. Enredo: 3-4. Comprimento do terreno: 2,8 metros.
Passo 2: cálculo das resistências locais
Para determinar o material do tubo, é necessário comparar os indicadores de sua resistência hidráulica em todas as partes do sistema de aquecimento.
Fatores de resistência:
Tubulações para aquecimento
- no próprio tubo:
- rugosidade;
- local de estreitamento/expansão do diâmetro;
- vez;
- comprimento.
- nas ligações:
- tee;
- válvula de esfera;
- dispositivos de balanceamento.
A seção calculada é um tubo de diâmetro constante com um fluxo de água constante correspondente ao balanço térmico de projeto da sala.
Para determinar as perdas, os dados são levados em consideração a resistência nas válvulas de controle:
- comprimento do tubo na seção de projeto / l, m;
- diâmetro do tubo da seção calculada / d, mm;
- velocidade assumida do refrigerante/u, m/s;
- dados da válvula de controle do fabricante;
- data de referência:
- coeficiente de atrito/λ;
- perdas por atrito/∆Рl, Pa;
- densidade do líquido calculada/ρ = 971,8 kg/m3;
- especificações do produto:
- rugosidade equivalente do tubo/ke mm;
- espessura da parede do tubo/dн×δ, mm.
Para materiais com valores de ke semelhantes, os fabricantes fornecem o valor da perda de pressão específica R, Pa/m para toda a gama de tubos.
Para determinar independentemente as perdas de atrito específicas / R, Pa / m, basta conhecer o d externo do tubo, espessura da parede / dn × δ, mm e taxa de abastecimento de água / W, m / s (ou fluxo de água / G , kg/h).
Para buscar resistência hidráulica / ΔP em uma seção da rede, substituímos os dados na fórmula de Darcy-Weisbach:
Etapa 3: balanceamento hidráulico
Para equilibrar as quedas de pressão, você precisará de válvulas de fechamento e controle.
- carga de projeto (vazão de massa do refrigerante - água ou líquido de baixo congelamento para sistemas de aquecimento);
- dados dos fabricantes de tubos sobre resistência dinâmica específica / A, Pa / (kg / h) ²;
- características técnicas dos acessórios.
- o número de resistências locais na área.
Tarefa. equalizar as perdas hidráulicas na rede.
No cálculo hidráulico de cada válvula são especificadas as características de instalação (montagem, queda de pressão, vazão). De acordo com as características de resistência, são determinados os coeficientes de vazamento em cada riser e depois em cada dispositivo.
Fragmento das características de fábrica da válvula borboleta
Escolhamos para os cálculos o método das características de resistência S,Pa/(kg/h)².
As perdas de pressão / ∆P, Pa são diretamente proporcionais ao quadrado do fluxo de água na área / G, kg / h:
- ξpr é o coeficiente reduzido para resistências de seção local;
- A é a pressão específica dinâmica, Pa/(kg/h)².
A pressão específica é a pressão dinâmica que ocorre a uma vazão mássica de 1 kg/h de refrigerante em um tubo de um determinado diâmetro (informações fornecidas pelo fabricante).
Σξ é o termo dos coeficientes para resistências locais na seção.
Coeficiente reduzido:
Etapa 4: Determinando Perdas
A resistência hidráulica no anel de circulação principal é representada pela soma das perdas de seus elementos:
- circuito primário/ΔPIk ;
- sistemas locais/ΔPm;
- gerador de calor/ΔPtg;
- trocador de calor/ΔPto.
A soma dos valores nos dá a resistência hidráulica do sistema / ΔPco:
Cálculo hidráulico do gasoduto intershop
A capacidade de vazão dos gasodutos deve ser tomada a partir das condições de criar, na máxima perda de pressão admissível do gás, o sistema mais econômico e confiável em operação, garantindo a estabilidade da operação das unidades de fraturamento hidráulico e controle de gás (GRU), conforme bem como a operação de queimadores de consumo em faixas de pressão de gás aceitáveis.
Os diâmetros internos estimados dos gasodutos são determinados com base na condição de garantir o fornecimento ininterrupto de gás a todos os consumidores durante as horas de consumo máximo de gás.
Os valores da perda de pressão de gás calculada ao projetar gasodutos de todas as pressões para empresas industriais são tomados dependendo da pressão do gás no ponto de conexão, levando em consideração as características técnicas dos equipamentos de gás aceitos para instalação, dispositivos de automação de segurança e controle automático do regime tecnológico das unidades térmicas.
A queda de pressão para redes de média e alta pressão é determinada pela fórmula
onde Pn é a pressão absoluta no início do gasoduto, MPa;
Рк – pressão absoluta no final do gasoduto, MPa;
Р0 = 0,101325 MPa;
l é o coeficiente de atrito hidráulico;
l é o comprimento estimado de um gasoduto de diâmetro constante, m;
d é o diâmetro interno do gasoduto, cm;
r0 – densidade do gás em condições normais, kg/m3;
Q0 – consumo de gás, m3/h, em condições normais;
Para gasodutos externos acima do solo e internos, o comprimento estimado dos gasodutos é determinado pela fórmula
onde l1 é o comprimento real do gasoduto, m;
Sx é a soma dos coeficientes das resistências locais do trecho do gasoduto;
Ao realizar um cálculo hidráulico de gasodutos, o diâmetro interno calculado do gasoduto deve ser determinado preliminarmente pela fórmula
onde dp é o diâmetro calculado, cm;
A, B, t, t1 - coeficientes determinados dependendo da categoria da rede (por pressão) e do material do gasoduto;
Q0 é a vazão de gás calculada, m3/h, sob condições normais;
DPr - perda de pressão específica, MPa/m, determinada pela fórmula
onde DPdop – perda de pressão admissível, MPa/m;
L é a distância até o ponto mais distante, m.
onde Р0 = 0,101325 MPa;
Pt - pressão média do gás (absoluta) na rede, MPa.
onde Pn, Pk são a pressão inicial e final na rede, respectivamente, MPa.
Aceitamos um esquema de fornecimento de gás sem saída. Realizamos o rastreamento do gasoduto inter-shop de alta pressão. Dividimos a rede em seções separadas. O esquema de projeto do gasoduto intershop é mostrado na Figura 1.1.
Determinamos as perdas de pressão específicas para gasodutos intershop:
Determinamos preliminarmente o diâmetro interno calculado nas seções da rede:
Dispositivos de troca de calor
O uso eficiente de calor em fornos rotativos só é possível ao instalar um sistema de trocadores de calor no forno e no forno. Trocadores de calor intraforno.
sistema de fachada
Para dar ao edifício reconstruído uma aparência arquitetônica moderna e aumentar radicalmente o nível de proteção térmica das paredes externas, o sistema de “veias.
techno house
Este estilo, que surgiu na década de 80 do século passado, como uma espécie de resposta irônica às brilhantes perspectivas de industrialização e do domínio do progresso tecnológico, proclamado em seu início.
Como trabalhar no EXCEL
A utilização de planilhas do Excel é muito conveniente, pois os resultados do cálculo hidráulico são sempre reduzidos a uma forma tabular. Basta determinar a sequência de ações e preparar fórmulas exatas.
Inserindo dados iniciais
Uma célula é selecionada e um valor é inserido. Todas as outras informações são simplesmente levadas em consideração.
- o valor de D15 é recalculado em litros, assim fica mais fácil perceber a vazão;
- célula D16 - adicione formatação de acordo com a condição: "Se v não se enquadrar no intervalo de 0,25 ... 1,5 m / s, o fundo da célula é vermelho / a fonte é branca."
Para tubulações com diferença de altura entre a entrada e a saída, a pressão estática é adicionada aos resultados: 1 kg / cm2 por 10 m.
Registro de resultados
O esquema de cores do autor carrega uma carga funcional:
- As células turquesa claras contêm os dados originais - eles podem ser alterados.
- As células verdes claras são constantes de entrada ou dados que estão pouco sujeitos a alterações.
- As células amarelas são cálculos preliminares auxiliares.
- As células amarelas claras são os resultados dos cálculos.
- Fontes:
- azul - dados iniciais;
- preto - resultados intermediários/não principais;
- vermelho - os resultados principais e finais do cálculo hidráulico.
Resultados em planilha Excel
Exemplo de Alexander Vorobyov
Um exemplo de cálculo hidráulico simples no Excel para uma seção de tubulação horizontal.
- comprimento do tubo 100 metros;
- ø108 mm;
- espessura da parede 4 mm.
Tabela de resultados de cálculo de resistências locais
Complicando os cálculos passo a passo no Excel, você domina melhor a teoria e economiza parcialmente no trabalho de design. Graças a uma abordagem competente, seu sistema de aquecimento se tornará ótimo em termos de custos e transferência de calor.
