Menu

Obliczanie średnic przewodów grzewczych i ciśnienia dyspozycyjnego

Pojęcia podstawowe  

Projektowanie sieci przewodów centralnego ogrzewania polega na dobraniu średnic przewodów i elementów regulacyjnych w celu:
− zapewnienia odpowiedniego rozdziału czynnika grzejnego do poszczególnych grzejników,
− zapewnienia stateczności cieplnej i hydraulicznej instalacji,
− optymalizacji kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych.
Aby poszczególne grzejniki mogły osiągnąć wymaganą moc przy założonym spadku temperatury (np. 20K), niezbędne jest zapewnienie dla każdego grzejnika odpowiedniego strumienia masowego wody. Warunek ten realizuje się poprzez odpowiednie wyregulowanie instalacji w warunkach projektowych (regulacja wstępna).
W ogólnym przypadku wyróżnia się:
− regulację wstępną,
− regulację eksploatacyjną.
Projektowanie sieci przewodów polega na dobraniu średnic przewodów i elementów regulacyjnych w celu:
− zapewnienia odpowiedniego rozdziału czynnika grzejnego do poszczególnych grzejników,
− zapewnienia stateczności cieplnej i hydraulicznej instalacji,
− optymalizacji kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych.
Aby poszczególne grzejniki mogły osiągnąć wymaganą moc przy założonym spadku temperatury (np. 20K), niezbędne jest zapewnienie dla każdego grzejnika odpowiedniego strumienia masowego wody. Warunek ten realizuje się poprzez odpowiednie wyregulowanie instalacji w warunkach projektowych (regulacja wstępna).
W ogólnym przypadku wyróżnia się:
− regulację wstępną,
− regulację eksploatacyjną.
Regulacja wstępna (zwana czasami również regulacją montażową lub trwałą) ma na celu zapewnienie odpowiednich strumieni masowych wody w poszczególnych odcinkach przewodów w warunkach projektowych.
Regulacja eksploatacyjna (zwana również regulacją bieżącą) to ciągłe dostosowywanie mocy ogrzewania do chwilowych potrzeb cieplnych.
Regulację wstępną można przeprowadzić:
− w sposób obliczeniowy,
− w sposób pomiarowy.
 Sposób obliczeniowy, polega na ustaleniu przez projektanta odpowiednich nastaw na zaworach regulacyjnych. Następnie wykonawca ustawia dobrane nastawy na poszczególnych zaworach.
 W przypadku metody pomiarowej, projektant ustala wymagane przepływy, a następnie wykonawca w taki sposób operuje zaworami regulacyjnymi, aby uzyskać wymagane przepływy. W tym przypadku konieczne jest stosowanie odpowiedniej armatury, umożliwiającej przeprowadzenie pomiarów przepływów.
Generalnie celem regulacji wstępnej jest „sprawiedliwy” rozdział czynnika. Przy czym „sprawiedliwy” oznacza tu: „każdemu (grzejnikowi) wg potrzeb”. Tzn. większy grzejnik, który ma za zadanie dostarczać więcej ciepła, powinien otrzymać większy strumień niż grzejnik mniejszy.
Jeśli regulacja wstępna nie zostanie przeprowadzona, to strumienie wody, dopływające do poszczególnych grzejników będą przypadkowe, a w konsekwencji również ich moce i spadek temperatury będą się różniły od wartości projektowych. Brak regulacji wstępnej może co prawda do pewnego stopnia być kompensowany przez regulację eksploatacyjną (np. termostaty grzejnikowe), ale obniża to znacznie jakość regulacji eksploatacyjnej. Mniej groźny jest zbyt duży strumień, który może być zdławiony przez zawór grzejnikowy. Natomiast w przypadku strumienia zbyt małego spada moc grzejnika, a zawór grzejnikowy, nawet przy pełnym otwarciu, nie jest w stanie nic „pomóc”. Generalnie instalacja nie wyregulowana wstępnie, nawet jeśli działa w sposób akceptowalny dla użytkownika, to jednak zazwyczaj oznacza gorszą jakość dostawy ciepła (moce grzejników nie są dostosowane do chwilowych potrzeb cieplnych) oraz może prowadzić do niepotrzebnego wzrostu kosztów ogrzewania.
 
Przy projektowaniu przewodów instalacji c.o. posługujemy się często następującymi pojęciami
Działka – odcinek przewodu o stałej średnicy wraz z zamontowanymi na nim urządzeniami,
przez który płynie jednakowa ilość wody. Czyli działki to odcinki przewodów pomiędzy trójnikami lub czwórnikami (w stali). Jeżeli w instalacji istnieją pary analogicznych działek na zasilaniu i powrocie (instalacja symetryczna), odpowiednie pary działek można traktować łącznie. Dzięki temu zmniejsza się znacznie ilość działek. W takim przypadku należy pamiętać, aby w obliczeniach uwzględnić łączną
długość działek.
Obieg – zespół przewodów, którymi woda przepływa od źródła ciepła do grzejnika i z powrotem wraz z zamontowanymi urządzeniami.
W skład obiegu wchodzą :
− źródło ciepła (kocioł, wymiennik ciepła),
− grzejnik,
− przewody łączące źródło ciepła z grzejnikiem.
Obieg najbardziej niekorzystny – obieg w którym opory hydrauliczne przed zdławieniem
nadmiarów ciśnienia są największe. W instalacjach pionowych często najniekorzystniejszy jest obieg przez najniżej zainstalowany grzejnik, znajdujący się w najdalszym pionie w stosunku do źródła ciepła.

4.1 Obliczenia wstępne

Obliczeniowe strumienie wody dopływającej do poszczególnych grzejników, określa wzór:
                                                      
G – obliczeniowy strumień wody w kg/s
Qogrz– obliczeniowa moc cieplna grzejnika nie uwzględniająca zysków ciepła [W],
cw – ciepło właściwe wody 4186 [J/(kg×K)],
tz – obliczeniowa temperatura wody zasilającej instalację [°C],
tp – obliczeniowa temperatura wody powracającej z instalacji [°C].
Powyższe równanie stosuje się również dla działek wspólnych (dostarczających wodę do większej ilości grzejników). Jako moc cieplną podstawia się wtedy sumę mocy wszystkich zaopatrywanych grzejników (tzw. obciążenie cieplne działki). 
Tabela Podstawowe właściwości wody w funkcji temperatury
Wartość ciśnienia czynnego w instalacji
Przez ciśnienie czynne należy rozumień ciśnienie wywołujące krążenie czynnika w instalacji. Na wartość tego ciśnienia ma wpływ ciśnienie wytworzone przez pompę obiegową i tzw. ciśnienie grawitacyjne związane z różnicą gęstości wody zasilającej i powrotnej.
Obliczeniowe ciśnienie wytwarzane przez pompę:
gdzie:
0,9 - współczynnik korygujący uwzględniający zużycie pompy
Hp - wysokość podnoszenia pompy
ρ- gęstość wody przepływającej przez pompę
Wartość ciśnienia czynnego pochodząca od grawitacji można wyznaczyć ze wzoru
gdzie:
h – różnica wysokości pomiędzy środkiem grzejnika w rozpatrywanym obiegu i środkiem
źródła ciepła, [m],
ρp – gęstość wody o temperaturze powrotu [kg/ m3],
ρz– gęstość wody o temperaturze zasilania [kg/ m3],
g – przyspieszenie ziemskie, g = 9,81 [m/s2],
Z uwagi na to, że ciśnienie grawitacyjne jest zmienne w ciągu sezonu grzewczego zaleca się przyjmowanie do obliczeń 70-75% wartości maksymalnej ciśnienia grawitacyjnego. Stąd wzór na ciśnienie czynne przyjmie postać:
Straty liniowe i miejscowe
Jednostkowy liniowy spadek ciśnienia oblicza się z zależności:
gdzie:
λ - współczynnik tarcia zależny od chropowatości rury
dw - średnica wewnętrzna przewodu [m]
W- prędkość przepływu [m/s]
ρśr - gęstość średnia wody [kg/m3]
 
Prędkość czynnika grzewczego [w] oblicza się ze wzoru
Gdzie: G - strumień masowy wody płynącej w działce [kg/s]
Z uwagi na uwikłana postać powyższych wzorów wartości oporu hydraulicznego [R] odczytuje się najczęściej z tablic lub nomogramów, osobnych dla rodzaju rur i ich chropowatości. Nomogramy są sporządzane osobno dla instalacji pracujących w instalacjach wody zimnej, ciepłej i c.o z uwagi na różne temperatury pracy (10, 55  i 70°C).
Rys. Jednostkowy liniowy spadek ciśnienia [R] dla rur KISAN (PE-Al-PE) i instalacji c.o (temp. 70°C).
Opory miejscowe w instalacji c.o. mogą być obliczone:
- na podstawie współczynnika oporu miejscowego ξ
- na podstawie współczynnika przepływu kv
- z wykresu charakterystyki hydraulicznej
Zwracam uwagę, że przy obliczaniu oporów miejscowych, opory na granicy dwóch sąsiednich działek obliczeniowych zalicza się do działki o mniejszym przepływie!!!
Współczynnik oporu miejscowego
Współczynniki oporów miejscowych ξ wykorzystuje się przede wszystkim dla typowych oporów, takich jak łuki, odsadzki, obejścia, trójniki itp. Współczynnik ξ może być również wykorzystany do oszacowania straty ciśnienia na elementach takich jak grzejnik czy kocioł, ale należy pamiętać, że będzie to tylko wartość orientacyjna. W tym przypadku zdecydowanie lepiej jest skorzystać z charakterystyki hydraulicznej, podanej przez producenta w postaci współczynnika kv lub wykresu. Metody te są równoważne i dają w przybliżeniu ten sam wynik. Do obliczania miejscowych strat ciśnienia w oparciu o współczynnik ξ służy wzór:
gdzie:
∑ξ – suma współczynników oporów miejscowych występujących w działce,
w – prędkość wody w przewodzie, m/s.
ρ – gęstość wody w przewodzie, kg/m3;
Tabela. Wartości współczynników oporów miejscowych dla rur stalowych
Tabela. Współczynniki oporów miejscowych łączników dla instalacji wykonanych z miedzi
Tabela. Współczynniki oporów miejscowych elementów instalacji centralnego ogrzewania z rur wielowarstwowych (PEX/Al/PEX) systemu KISAN
Współczynnik przepływu
Alternatywnie straty ciśnienia, wywołane oporem miejscowym można określić na podstawie współczynnika przepływu kv.
Współczynnik przepływu kv – przepływ wody (o temperaturze 5°C÷40°C) przez zawór, wyrażony w metrach sześciennych na godzinę, przy spadku ciśnienia statycznego na zaworze równym 1 bar.
gdzie:
Q – strumień objętościowy, m3/h,
kv – współczynnik przepływu, m3/h.
Korzystając z powyższego równania należy zwrócić uwagę na jednostki. Ponieważ współczynnik przepływu kv wyrażony jest w m3/h, to również strumień należy podstawiać w tych jednostkach. Mnożnik 100 000 przelicza otrzymany wynik z barów, które występują w definicji współczynnika przepływu kv, na paskale. Im większą wartość przyjmuje współczynnik przepływu kv, tym mniejszy jest opór. Jest to zależność odwrotna niż w przypadku współczynnika oporu miejscowego ξ . Mimo że współczynnik przepływu kv został oryginalnie zdefiniowany dla zaworów, można go zastosować dla dowolnego oporu miejscowego, np. dla grzejnika.

4.2 Zasady doboru średnic przewodów

W ogrzewaniach wodnych tak należy dobrać średnice przewodów oraz nastawy wstępne armatury regulacyjnej, aby w każdym z obiegów suma strat ciśnienia przy obliczeniowych strumieniach czynnika grzejnego była równa działającemu w obiegu ciśnieniu czynnemu.
Dla każdego obiegu powinien być spełniony warunek w którym:
gdzie:
Δpcz – panujące w obiegu ciśnienie czynne [Pa],
Δpstr – straty ciśnienia w obiegu wywołane oporami tarcia oraz oporami miejscowymi [Pa].
 
Projektowanie przewodów instalacji centralnego ogrzewania 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.
Dobierając średnice należy mieć na uwadze spełnienia następujących warunków:
- wartości oporu hydraulicznego i ciśnienia czynnego powinny być do siebie zbliżone, błąd nie powinien przekraczać 10%:
- opór działki z grzejnikiem powinien być większy lub równy minimalnemu oporowi działki z grzejnikiem
- opór zaworu termostatycznego powinien zapewnić spełnienie kryterium dławienia (autorytet zewnętrzny zaworu termostatycznego powinien wynosić przynajmniej 30%).
Autorytet zewnętrzny zaworu – stosunek straty ciśnienia na zaworze do całkowitego oporu hydraulicznego w obiegu lub tej jego części, w której różnica ciśnienia jest stabilizowana.
Zastosowanie przy grzejniku zaworu termostatycznego z nastawą wstępną pozwala na połączenie dwóch funkcji: kryzy dławiącej i regulacji. Funkcja kryzy służy do wstępnej regulacji obiegów na etapie projektowania. Kryterium dławienia (autorytet zaworu) określa zależność:
a – autorytet zaworu,
Δpz – strata ciśnienia na zaworze termostatycznym całkowicie otwartym (położenie obliczeniowe), [Pa],
Δpr – strata ciśnienia w obiegu pomniejszona o wartość panującego w obiegu ciśnienia czynnego grawitacyjnego, [Pa].
 
Dobór średnic należy rozpocząć od najbardziej niekorzystnego obiegu. Najbardziej niekorzystnym obiegiem jest ten, w którym występuje najwyższa strata ciśnienia. (W praktyce jest to obieg najbardziej odległy od źródła ciepła). Do wstępnego doboru średnic określamy orientacyjną jednostkową stratę ciśnienia, która:
- dla najniekorzystniejszego (pierwszego) obiegu wynosi:
Powyższy wzór odnosi się do zaworów ręcznych, dla zaworów termostatycznych przyjmie postać:
Mnożnik 0,5 ÷ 0,67 w powyższych wzorach uwzględnia zakładany udział liniowych strat ciśnienia w stosunku do całkowitych strat ciśnienia. W przypadku zaworów ręcznych wzór przewiduje konieczność zapewnienia minimalnego oporu działki z grzejnikiem. Natomiast dla zaworów termostatycznych, współczynnik 0,7 powoduje „zarezerwowanie” 30% ciśnienia czynnego dla zaworu termostatycznego w celu zapewnienia odpowiedniego autorytetu.
Dla kolejnych obiegów:
− w przypadku zaworów ręcznych:
− w przypadku zaworów termostatycznych
gdzie:
Δpcz – ciśnienie czynne w obiegu, [Pa],
Δpzc – opór źródła ciepła np. opór wymiennika ciepła po stronie instalacyjnej, [Pa],
Δpg min – minimalny opór działki z grzejnikiem, [Pa],
∑L – suma długości działek w najbardziej niekorzystnym obiegu, m,
∑Ln – suma długości nowych działek w obiegu, m,
∑(RL+Z) – suma oporów hydraulicznych działek wspólnych, Pa.
Przewody blisko źródła ciepła dobieramy dla (straty liniowej) R nieco większej od Ror (orientacyjna strata liniowa), a przewody blisko grzejników dla R mniejszego od Ror. Znaczy, to, że przewody przy źródle ciepła należy nieco przewymiarować, natomiast przewody przy grzejnikach powinny mieć minimalne średnice.
Po wstępnym dobraniu średnic należy sprawdzić, czy spełnione zostały wcześniej podane warunki. Jeśli nie, to należy zmienić średnice przewodów, a w przypadku wyczerpania wszystkich możliwości zastosować elementy dławiące.  Praktyczny sposób wymiarowania instalacji centralnego ogrzewania opiera się na spełnieniu kryterium maksymalnej dopuszczalnej prędkości przepływu dla przewodów w zależności od materiału z jakiego są wykonane. Maksymalne dopuszczalne prędkości przepływu dla przewodów różnych średnic ze stali podano w tabeli
Tabela: Maksymalne dopuszczalne prędkości przepływu wody w przewodach stalowych dla ogrzewań wodnych
W instalacjach c.o. nigdy nie należy przekraczać prędkości 1 m/s ze względu na szumy. Prędkość przepływu wody w przewodach miedzianych małych średnic tzn. do 22 mm nie powinna przekroczyć 0,3 m/s, natomiast w większych od 28 mm nie powinna przekroczyć 0,5 m/s. W oparciu o te prędkości można ustalić dopuszczalne przepływy czynnika dla przewodów miedzianych różnych średnic.
  
Gałązki o średnicy 10 mm mają przepuszczalność 60 kg/h, co oznacza, że przy różnicy temperatury wody 15 K nadają się do grzejników o mocy do 1050 W, a przy różnicy temperatury wody 20 K do grzejników o mocy do 1400W.
Dla przewodów z rur wielowarstwowych (PE–Al–PE) kryteria doboru prędkości przepływu są następujące:
- w poziomych przewodach rozdzielczych prędkość do 1,0 m/s, zalecana prędkość od 0,5 do 0,6 m/s,
- w pionach zalecana prędkość 0,2 do 0,4 m/s,
- w gałązkach grzejnikowych ogrzewań dwururowych do 0,3 m/s.
 

4.3 Praktyczny sposób wymiarowania przewodów pompowej instalacji c.o.

1) Dla wszystkich działek obliczyć stratę ciśnienia wywołaną oporami tarcia oraz oporami miejscowymi z zachowaniem warunku nie przekraczania maksymalnej prędkości przepływu czynnika dla przewodu o określonej średnicy:
v – prędkość przepływu czynnika w działce, [m/s],
vmax dop – maksymalna dopuszczalna prędkość przepływu dla przewodów danej średnicy, [m/s].

2) Dla wszystkich obiegów obliczyć straty ciśnienia, zgodnie z zależnością:
w którym:
R×L – liniowe straty ciśnienia dla działki obiegu, [Pa],
Z – miejscowe straty ciśnienia dla działki obiegu, [Pa].
3) Obliczyć wartości ciśnienia czynnego grawitacyjnego w obiegach:
4) Ustalić który z obiegów jest najniekorzystniejszy, tzn. dla którego poniższe wyrażenie ma maksymalną wartość:
(W niskich budynkach udział ciśnienia czynnego grawitacyjnego jest mały i może być pominięty).
5) Dla najniekorzystniejszego obiegu dobrać zawór termostatyczny wykorzystując kryterium dławienia i określić stratę ciśnienia na zaworze Δpz przy obliczeniowym przepływie przez grzejnik.
6) Określić ciśnienie dyspozycyjne wytworzone przez pompę:

Δpz – strata ciśnienia na zaworze termostatycznym całkowicie otwartym, [Pa].
7) Obliczyć straty na zaworach termostatycznych dla pozostałych obiegów (poza najniekorzystniejszym):
 


8) Dla wszystkich zaworów termostatycznych (na podstawie ich charakterystyk hydraulicznych) określić, w oparciu o wcześniej ustalone wartości: stratę ciśnienia na zaworze termostatycznym całkowicie otwartym (Δpz) i strumienia masy czynnika (m),
nastawy wstępne zaworów.
4.4 Formularz do obliczeń hydraulicznych

4.6 Zasady rozmieszczania grzejników konwekcyjnych w pomieszczeniach


1. Ogólnie grzejniki należy umieszczać przy ścianach zewnętrznych, w pobliżu drzwi balkonowych, pod oknami.
2. Grzejniki należy również umieszczać przy ścianach zewnętrznych we wnękach, a w przypadku ich braku stosować nad grzejnikiem półki w celu wymuszenia cyrkulacji
3. W pomieszczeniu wiatrołapu grzejniki należy umieszczać w pobliżu drzwi wejściowych. 
4. W pomieszczeniu kuchni, grzejniki należy umieszczać w miejscu uniemożliwiającym zabudowanie go szafkami.
5. W pomieszczeniach sanitarnych grzejniki należy umieszczać w sposób umożliwiający wygodny sposób korzystania z przyborów sanitarnych, tak aby był swobodny dostęp do grzejnika oraz zapewniona estetyka pomieszczenia.
6. Na klatkach schodowych grzejniki umieszczać na spoczniku, tak aby nie kolidowały z ciągami komunikacyjnymi.
W poszczególnych pomieszczeniach na podkładach architektoniczno-budowlanych nanosi się symbole graficzne grzejników podając: typ grzejnika/wysokość w milimetrach/długość w metrach, np. C–22/600/1,2 m. Nie rysuje się gałązek, a jedynie
piony oznaczając ich numer.
(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});