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1、室内热水供暖系统的水力计算 第一节 热水供暖系统管路水力计算的基本原理 一、热水供暖系统管路水力计算的基本公式 供暖系统中计算管段的压力损失，可用下式表示： Pa l式中 计算管段的压力损失，Pa；l 计算管段的沿程损失，Pa；l 计算管段的局部损失，Pa；l 每米管长的沿程损失，Pa/m；l 管段长度，m。l计算管段在管路的水力计算中，通常把管路中水流量和管径都 没有改变的一段管子称为一个计算管段。l比摩阻每米管长的沿程损失达西维斯巴赫公式 式中l管段的摩擦阻力系数；ld管子内径，m；lv热媒在管道内的流速，ms；l热媒的密度；kgms。摩擦阻力系数l取决于管内热媒的流动状态和管壁的粗糙程度
2、， 式中lRe雷诺数。判别流体流动状态的准则数 Re2320时，流动为层流流动 Re2320时，流动为紊流流动lv 热媒在管内的流速，msld 管子内径，m；l热媒的运动粘滞系数，ms：lK 管壁的当量绝对粗糙度，m：l 管壁的相对粗糙度。摩擦阻力系数公式l用实验方法确定。l根据实验数据整理的曲线，按照流体的不同流 动状态，可整理出一些计算摩擦阻力系数值 公式。l在热水供暖系统中推荐使用的计算公式如下(一)层流流动lRe2320流动呈层流状态。在此区域内，摩擦阻力系数入值 仅取决于雷诺数Re值l在热水供暖系统中很少遇到层流状态，仅在自然循环 热水供暖系统的个别水流量很小，管径很小的管段内 ，才
3、会遇到层流流动状态。(二)紊流流动lRe2320流动呈紊流状态。在整个紊流区中，分为三个区域l1.水力光滑管区l2过渡区l3粗糙管区(阻力平方区)1).水力光滑管区l4000Re 100000 布拉修斯公式计算2)过渡区l定义流动状态从水力光滑管区过渡到粗糙区(阻力平方 区)的一个区域称为过渡区。l计算公式洛巴耶夫公式过渡区的范围确定：l式中v1、Re1流动从水力光滑管区转到过渡区的临界速度 和相应的雷诺数值；v2、Re2流动从过渡区转到粗糙区的临界速度和相应 的雷诺数值。3)粗糙管区(阻力平方区)l摩擦阻力系数值仅取决于管壁的相对粗糙度。尼古拉兹公式l对于管径等于或大于40mm的管子，可用希
4、弗林松的 计算公式4).整个紊流区的统一计算公式l柯列勃洛克公式l阿里特苏里公式3.当量绝对组糙度Kl影响因数管子的使用状况(流体对管壁腐蚀和沉积水垢等状 况) 管子的使用时间等因素有关。l热水供暖系统，推荐采用下面的数值：对室内热水供暖系统管路 K=0.2mm对室外热水网路 K=0.5mm4.热水供暖系统紊流流动判定l判定根据根据过渡区范围的判别式和推荐使用的当量绝对粗 糙度K值l60、90时相应K=0.2mm和K=0.5mm条件下的 过渡区临界速度v1和v2值见表4-1l室内热水供暖系统设计供回水温度多用9570，整个采暖季的平均 水温按60考虑lK=0.2mm时，过渡区的临界速度为v1=
5、0.026m/s，v2=1.066m/sl在设计热水供暖系统时，管段中的流速通常都不会超过v2值， 也不大可能低于v1值。在室内供暖系统管路内的流动状态l处于过渡区内l室外热水网路（K=0.5mm）设计都采用较高的流速(流速常大于05mss)水在热水网路中的流动状态，大多处于阻力平方区内 。5.管路热媒流速与流量的关系式l 式中 G 管段的水流量，kgh。单位每米管长的沿程损失l将流速v代入式(4-2)，可得出更方便的计算公 式lR=f(d,G)l附录4-1给出室内热水供暖系统的管路水力计 算表。管段的局部损失l式中 管段中总的局部阻力系数。l水流过热水供暖系统管路的附件(如三通、弯 头、阀门
6、等)的局部阻力系数值，可查附录4 2。l附录43给出热水供暖系统局部阻力系数 时的局部损失值。二、当量局部阻力法和当量长度法l简化计算，当量局部阻力法l当量局部阻力法的基本原理是将管段的沿程损失 转变为局部损失来计算。当量长度法l当量长度法的基本原理是将管段的局部阻力损失 转变为沿程损失来计算。1.当量局部阻力法(动压头法)l设管段的沿程损失相当于某一局部损失 Pjl式中d当量局部阻力系数。管段的总压力损失l已知管段的水流量G( kg/h)时，则根据式(4- 13)的流量和流速的关系式，管段的总压力损 失 P可改写为：l式中 zh管段的折算局部阻力系数。l附录4-4列出了各种不同管径的A值和/
7、d值( 水的平均温度t=60)。l附录4-5给出了当zh=1时，不同d不同G对应 的 P 值。l附录4-6和附录4-7 整根立管的zh值2.当量长度法l当量长度法的基本原理是将管段的局部损失折合 为管段的沿程损失来计算l 某一管段的总局部阻力系数，设它的压力损失相当于流经管段ld米长的沿程损失。l式中 ld 管段中局部阻力的当量长度，m。2.当量长度法l式中 lzh管段的折算长度，m。l用途当量长度法一般多用在室外热力网路的水力计算上 。管段的阻力特性数l式中s管段的阻力特性数(简称阻力数)，Pa/(kg/h) 。它 的数值表示当管段通过1kg/h水流量时的压力损失值。三、室内热水供暖系统管路
8、水力计算 的主要任务和方法l1. G, Pd按已知系统各管段的流量和系统的循环作用压力( 压头)，确定各管段的管径l2. G, d P按已知系统各管段的流量和各管段的管径，确定系 统所必需的循环作用压力(压头)l3. d, P G按已知系统各管管的管径和该管段的允许压降，确 定通过该管段的水流量；最不利环路l室内热水供暖管路系统由许多串联或并联管段组成的管路系统。l最不利环路允许的比摩阻R最小的一个环路l管路的水力计算从系统的最不利环路开始由n个串联管段组成的最不利环路，它的总压力损失 为n个串联管段压力损失的总和。l热水供暖系统循环作用压力的大小，取决于： 机械循环提供的作用压力，水在散热器
9、内冷却 所产生的作用压力和水在循环环路中因管路散 热产生的附加作用压力。各种供暖系统形式的 总循环作用压力的计算原则和方法，在本章下 面几节的例题中详细阐述。l进行第一种情况的水力计算时，可以预先求出最不 利循环环路或分支环路的平均比摩阻，即l l式中 P 最不利循环环路或分支环路的循环作用压力；l 最不利循环环路或分支环路的管路总长度；l a 沿程损失约占总压力损失的估计百分数l 根据Rpj及环路中各管段的流量G，可选出最接近管径，并求出最不利循环环路或分支环路中各管 段的实际压力损失和整个环路的总压力 损失值。l 第一种情况的水力计算，有时也用在已知各管段的流量和选定的比摩阻R值或流速值v
10、的场 合，此时选定的R和v值，常采用经济值，称经 济比摩阻或经济流速。l目前在设计实践中，对传统的采暖方式平均比 摩阻Rpj 一般取60-120Pam为宜。l分户采暖的Rpj 后面的章节介绍。l 第二种情况的水力计算，常用于校核计算。根据 最不利循环环路各管段改变后的流速和已知各管段 的管径，利用水力计算图表，确定该循环环路各管 段的压力损失以及系统必需的循环作用压力，并检 查循环水泵扬程是否满足要求。l 进行第三种情况的水力计算，就是根据管段的管径d和允许压降P，来确定通过该管段(例如通过系 统的某一立管)的流量。对已有的热水供暖系统，在 管段已知作用压头下，校核各管段通过的水流量的 能力；
11、以及热水供暖系统采用所谓“不等温降”水 力计算方法，就是按此方法进行计算的。l 当系统的最不利循环环路的水力计算完成后，即可进行其它分支循环环路的水力计算。l暖通规范规定：热水供暖系统最不利循环 环路与各并联环路之间（不包括共同管段）的 计算压力损失相对差额，不应大于15% 。在实际设计过程中，为了平衡各并联环路的压力损失，往往需要提高近循环环路分支管段的比摩阻和流速。 但流速过大会使管道产生噪声。目前，暖通规范规 定：最大允许的水流速不应大于下列数值：民用建筑 12ms；生产厂房的辅助建筑物 2ms；生产厂房 3ms。整个热水供暖系统总的计算压力损失，宜增加10%的附加值，以此确定系统必需的
12、循环作用压力。第二节 重力 (自然) 循环双管供暖系统管路 水力计算方法和例题l【例题4-1】确定重力循环双管热水供暖系统 管路的管径。热媒参数：供水温度=95，回 水温度=70。锅炉中心距底层散热器中心距 离为3m，层高为3m。每组散热器的供水支管上有一截止阀。机械循环单管热水供暖系统管路的水力计 算方法和例题 与重力循环系统相比，机械循环系统的作用半径大， 传统的室内热水供暖系统的总压力损失一般约为1020kPa； 对于分户采暖等水平式或大型的系统，可达2050kPa。机械循环中，最不利循环环路常用控制平均比摩阻 Rpj的方法，按Rpj=60120Pa/m选取管径。剩余的资用循环压力，由入
13、口处的调压装置节流。1.管道内水冷却产生的重力循环作用压力，占机械循环总循环压力的比例很小，可忽略不计。2.机械双管系统，水在各层散热器冷却所形成的重力循环作用压力不相等，在进行各立管散热器并联环路的水里计算时，应计算在内。3.机械循环单管系统，每根立管所产生的重力循环作用压力近似相等时，可忽略不计。l【例题4-2】确定图4-9机械循环垂直单管顺流异程式热 水供暖系统管路的管径。热媒参数：供水温度=95，回 水温度=70。系统与外网连接。在引入口处外网的供回 水压差为30kPa。图4-9表示出系统两个支路中的一个支 路。散热器内的数字表示散热器的热负荷。楼层高为3m 。 散热器的进流系数 在单
14、管热水供暖系统中，立管的水流量全部或部分地 流进散热器。流进散热器的水流量与通过该立管水流量 的比值，称作散热器的进流系数，可用下式表示在垂直式顺流热水供暖系统中，散热器单侧连接时， =1.0；散热器双侧连接，通常两侧散热器的支管管径 及其长度都相等时，=0.5。当两侧散热器的支管管径 及其长度不相等时，两侧的散热器进流系数就不相等 了。 两侧散热器之间水流量分配：根据并联环路在节点压力平衡状况下的水流量分配规律。（忽略重力循环附加作用压力差值的影响）即按顺流式两侧的阻力比，来确定散热器的进流系数。在通常管道布置情况下，顺流式系统两侧连接散热器支管管径、长度及其局部阻力都相等时：1=2=0.5
15、机械循环同程式热水供暖系统管路l 同程式系统的特点是通过各个并联环路的总长度都 相等。在供暖半径较大（一般超过50m以上）的室内 热水供暖系统中，同程式系统得到较普遍地应用。现 通过下面例题，阐明同程式系统管路水力计算方法和 步骤。l【例题4-3】将例题4-2的异程式系统改为同程式系统 。已知条件与例题4-2相同。管路系统图见图4-12。解计算方法和步骤：1. 首先计算通过最远立管 V的环路。确定出供水干管各个管段、立管 V和回水总干管的管径及其压力损失。计算方法与例题42相同。2用同样方法，计算通过最近立管 I的环路，从而确定出立管 I、回水干管各管段的管径及其压力损失。3 求并联环路立管 I和立管 V的压力损失不平衡率，使其不平衡率在土5以内。4根据水力计算结果，利用图示方法表示出系统总压力损失及各立管的供、回水节点间的资用压力值。应注意：如水力计算结果和图示表明个别立管 供、回水节点间的资用压力过小或过大，则会使 下一步选用该立管的管径过粗或过细，设计很不 合理。此时，应调整第一、二步骤的水力计算， 适当改变个别供、回水干管的管段直径，使易于 选择各立管的管径并满足并联环路不平衡率的要 求
