供热工程-第四章 室内热水供暖系统的水力计算

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1、第四章 室内热水供暖系统的水力计算 本章教学目的：掌握水力计算方法 本章教学重点：机械循环热水供暖系统管路的水力计算本章教学难点：阻力平衡室内热水供暖系统通过进行水力计算可 以确定系统中各管段的管径,是进入各管段的 流量和进入散热器的流量符合要求,进而确定 各管路系统的阻力损失。水力计算应在确定 了系统形式、管路布置及散热器选择计算后 进行。水力计算是供暖系统设计计算的重要 组成部分，也是设计中的一个难点。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当流体沿管道流动时，由于流体分子 间及其与管壁间的摩擦，就要损失能量； 而当流体流过管道的一些附件(如阀门

2、、弯 头、三通、散热器等)时，由于流动方向或 速度的改变，产生局部旋涡和撞击，也要 损失能量。前者称为沿程损失，后者称为 局部损失。 一、热水供暖系统管路水力计算的基本公式PPy+PiRl+Pi Pa 式中 P计算管段的压力损失，Pa； Py计算管段的沿程损失，Pa； Pj计算管段的局部损失，Pa；R每米管长的沿程损失，Pa m；l管段长度，m。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。任何一个热水供暖系统的管路都是由 许多串联或并联的计算管段组成的。 二、当量局部阻力法和当量长度法在实际工程设计中，为了简化计算，也 有采用所谓“当量局部阻力法”或“

3、当量长度 法”进行管路的水力计算。当量局部阻力法(动压头法) 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 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。三、室内热水供暖系统管路水力计算 的主要任务和方法1、室内热水供暖系统水力计算的主要任务 1）、已知各管道的流量和系统的循环作用压力 ，确定各管段管径。这是实际工程设计的主 要内容。 2）、已知各管道流量和管径，确定系统所需的 循环作用压力。常用于校核计算，校核水泵 扬程是否满足要求。 3）、已知各管道管径和该管段的允许压降，确 定该管段的流量。常用于校核已有的热水供 暖系统各管段的流

4、量是否满足需要。2、室内热水供暖系统水力计算的方法 等温降法和不等温降法等温降法就是采用相同的设计温降进行 水力计算的一种方法。该方法认为双管系统 每组散热器的水温降相同，如低温双管热水 供暖系统，每组散热器的水温降都为25度； 单管系统每根立管的供回水温降相同，如低 温单管热水供暖系统，每根立管的水温降都 为25度。在这个前提下计算各管段流量，进 而确定各管段管径。此法简便、易于计算， 但不易使各并联环路阻力达到平衡，运行时 易出现近热远冷的水平失调问题。不等温降法在计算垂直单管系统时 ，将各立管温降采用不同的数值。它是 在选定管径后，根据压力损失平衡的要 求，计算各立管流量，再根据流量计算

5、 立管的实际温降，最后确定散热器的面 积。不等温降法有可能在设计上解决系 统的水平失调问题，但设计过程比较复 杂。第二节 重力循环双管系统管路水力计算方法和例题重力循环异程式双管系统的最不利循环环路是通 过最远立管底层散热器的循环环路，计算应由此开 始。最不利环路是各并联环路中允许平均比摩组最 小的一个环路，如图4-1重力循环异程式双管系统 ，因所有立管上对应各层散热器的中心至锅炉中心 的垂直距离都相等，所以最不利环路就是环路总长 度最长的立管I的最底层散热器I l的环路。计算步骤：1选择最不利环路 由图41可见，最不利环路是通 过立管I的最底层散热器I l(1500W)的环路。这个环路从散热

6、器Il顺序地经过管段、 、，进入锅炉，再经管段、 11 12 13 14 15 16进入散热器1。 2计算通过最不利环路散热器Il的作用压力 Pd.3确定最不利环路各管段的管径d。 (1)求单位长度平均比摩阻 (2)根据各管段的热负荷，求出各管段的流量 (3)根据G、Rpj，查附录表41，选择最接近Rpj 的管径。选用的Rpj越大，需要的管径越小，会降 低系统的基建投资和热损失，但系统循环水泵的投 资和运行电耗会随之增加。所以需要确定一个经济 比摩阻，使得在规定的计算年限内总费用为最小。 机械循环热水供暖系统推荐选用的经济平均比摩阻 一般为60120Pa/m。4确定沿程压力损失 5确定局部阻力

7、损失 6计算求各管段总的压力损失 7确定环路总压力损失 8计算富裕压力值。 考虑由于施工的具体情况，可能增加一 些在设计计算中未计入的压力损失。因此 ，要求系统应有10以上的富裕度。9确定通过立管第二层散热器环路中各管段的管径 。 (1)计算通过立管I第二层散热器环路的作用压力 (2)确定通过立管I第二层散热器环路中各管段的管径。资用压力是系统在该入户处所能提供的循环压 力，即供回水管道的压力差，它是由供热部门供热 系统循环泵的扬程大小决定的，也就是外网提供的 循环压力。双管系统如果外网提供的压力大于资用 压力，就要设置高阻调节的两通阀，单管系统如果 外网提供的压力大于资用压力，就要设置低阻调

8、节 的调节阀。一般来说，某一管段的沿程阻力和局部阻力之和 都可以叫做资用压力。资用压力可以利用的压力， 也就是系统所必须提供给用户的克服各种阻力（系 统中流体流动阻力）的压力。 (3)求通过底层与第二层并联环路的压降不平衡率。10确定通过立管I第三层散热器环路上各管段 的管径，计算方法与前相同。计算结果如下 ： （1）通过立管I第三层散热器环路的作用压力 （2）管段15、17、18与管段13、14、l为并联 管路。通过管段15、17、18的资用压力为 （3）管段15、17、18的实际压力损失为 459+1591十1197738Pa。 （4）不平衡率x13(976738)976244 15 因1

9、7、18管段已选用最小管径，剩余压力只能 用第三层散热器支管上的阀门消除。11确定通过立管各层环路各管段的管径。作为异程式双管系统的最不利循环环路是通过 最远立管I底层散热器的环路。对与它并联的其它 立管的管径计算，同样应根据节点压力平衡原理 与该环路进行压力平衡计算确定。 （1）确定通过立管底层散热器环路的作用压力(2)确定通过立管底层散热器环路各管段管径d。 通过该双管系统水力计算结果，可以看出，第三 层的管段虽然取用了最小管径(DN15)，但它的不 平衡率大于15。这说明对于高于三层以上的建 筑物，如采用上供下回式的双管系统，若无良好 的调节装置(如安装散热器温控阀等)，竖向失调状 况难

10、以避免。第三节 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，其室内热水供暖系统的总压力 损失一般约为10-20kPa，对水平式或较大型 的系统，可达20一50kPa。进行水力计算时，机械循环室内热水供 暖系统多根据入口处的资用循环压力，按最 不利循环环路的平均比摩阻来选用该环路各 管段的管径。当入口处资用压力较高时，管 道流速和系统实际总压力损失可相应提高。 第三节 机械循环单管热水供暖系统 管路的水力计算方法和例题 一、进行水力计算时应注意： 1、如果机械循环室内热水供暖系统入口处 的循环作用压力已经确定，可根据入口 处的作用压力求出各

11、循环环路的平均比 摩阻，进而确定各管段的管径。 2、如果系统入口处作用压力较高时，必然 要求环路的总压力损失也较高，这会使 系统的比摩阻、流速相应提高。 对于异程式系统，如果最不利环路各管段 比摩阻定得过大，其他并联环路的阻力损失 将难以平衡，而且设计中还需考虑管路和散 热器的承压能力问题。因此，对于入口处作 用压力过大的系统，可先采用经济比摩阻确 定各管段管径，然后再确定系统所需的循环 作用压力，过剩的入口压力可用调节阀或调 节孔板消除。3、在机械循环系统中，循环压力主要是由水 泵提供，同时也存在着重力循环作用压力。 管道内水冷却产生的重力循环作用压力和水 在散热器内冷却产生的作用压力之和，

12、占机 械循环总循环压力的比例很小，可忽略不计 。 4、对机械循环双管系统，一根立管上的各层 散热器是并联关系，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力计算时，应计算 各层自然循环的作用压差，不可忽略。 5、对机械循环单管系统，如建筑物各部分层 数相同时，每根立管所产生的重力循环作用 压力近似相等，可忽略不计；如建筑物各部 分层数不同时，高度和各层热负荷分配比不 同，各立管环路之间所产生的重力循环作用 压力不相等，在计算各立管之间并联环路的 压降不平衡率时，应将其重力循环作用压力 的差额计算在内。重力循环作用压力可按设 计工况下的最大值的23计算(约

13、相应于采暖 平均水温下的作用压力值)。 例题4-2计算步骤 1在轴测图上，与例题4-1相同，进行管段编 号，立管编号并注明各管段的热负荷和管长 2确定最不利环路。本系统为异程式单管系统 ，一般取最远立管的环路作为最不利环路 3计算最不利环路各管段的管径 计算步骤 4确定立管的管径 5确定立管的管径 6确定立管的管径 7确定立管I的管径为避免采用例题4-2的水力计算方法而出现立管 之间环路压力不易平衡的问题，在工程设计中，可 采用下面的一些设计方法，来防止或减轻系统的水 平失调现象。(1)供、回水干管采用同程式布置；(2)仍采用异程式系统，但采用“不等温降”方法进行水 力计算； (3)仍采用异程

14、式系统，采用首先计算最近立管环路的 方法。二、散热器的进流系数 定义：在单管热水供暖系统中，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，称为散热器的进流系数。对于跨越式系统，立管中部分水量流过跨 越管段，只有部分水量进入一侧或两侧散热器 。通过跨越管段的水没有被冷却，它与散热器 平均水温不同而引起重力循环附加作用压力， 它要比顺流式系统大一些。通常根据实验方法确定进流系数。实验表 明：跨越式系统散热器的进流系数与散热器支 管、立管和跨越管的管径组合情况以及立管中 的流量或流速有关。 1.首先计算通过最远立管的环路。确定出供水干管各 个管段、立管和回水总干

15、管的管径及其压力损失 。计算方法与例题4-2相同，见水力计算表4-5。 2.用同样方法，计算通过最近立管的环路，从而确定 出立管、回水干管各管段的管径及其压力损失。 3.求并联环路立管和立管的压力损失不平衡率，使 其不平衡率在5%以内。 4.根据水力计算结果，利用图示方法（见图4-6），表 示出系统的总压力损失及各立管的供、回水节点间 的资用压力值。第四节 机械循环同程式热水供暖系统 管路的水力计算方法和例题5.确定其它立管的管径。根据各立管的资用压 力和立管各管段的流量，选用合适的立管 管径。计算方法与例题4-2的方法相同。 6.求各立管的不平衡率。根据立管的资用压力 和立管的计算压力损失，

16、求各立管的不平 衡率。不平衡率应在10%以内。通过同程式系统水力计算例题可见， 虽然同程式系统的管道金属耗量，多于异 程式系统，但它可以通过调整供、回水干 管的各管段的压力损失来满足立管间不平 衡率的要求。资用压力是系统在该入户处所能提供的 循环压力，即供回水管道的压力差，它是 由供热部门供热系统循环泵的扬程大小决 定的，也就是外网提供的循环压力。双管 系统如果外网提供的压力大于资用压力， 就要设置高阻调节的两通阀，单管系统如 果外网提供的压力大于资用压力，就要设 置低阻调节的调节阀。一般来说，某一管段的沿程阻力和局部 阻力之和都可以叫做资用压力。资用压力 可以利用的压力，也就是系统所必须提供 给用户的克服各种阻力（系统中流体流动 阻力）的压力。阀门是用来开闭管路和调节输送介质流量的 设备。在采暖管道上，常用的阀门型式有截 止阀、闸阀、蝶阀、止回阀和调节阀等