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1、室内热水供暖系统的水力计算室内热水供暖系统的水力计算 第一节第一节 热水供暖系统管路水力计算的基本原理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
2、；lv热媒在管道内的流速，ms；l热媒的密度；kgms。摩擦阻力系数摩擦阻力系数l取决于管内热媒的流动状态和管壁的粗糙程度， 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。摩擦阻力系数摩擦阻力系数公式公式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 ( (一一) )层流流动层流流动lRe2320流动呈层流状态
3、。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，热水供暖系统的个别水流量很小，管径很小的管段内，才会遇到层流流动状态。才会遇到层流流动状态。 ( (二二) )紊流流动紊流流动lRe2320流动呈紊流状态。在整个紊流区中，分为三个区域l1.1.水力光滑管区水力光滑管区l2 2过渡区过渡区l3 3粗糙管区粗糙管区( (阻力平方区阻力平方区) ) 1).1).水力光滑管区水力光滑管区l4000Re 100000 布拉修斯公式计算 2)2)过渡区过渡区l定义流
4、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：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)3)粗糙管区粗糙管区( (阻力平方区阻力平方区) )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，可用希弗林松的计算公式4).4).整个紊流区的统一计算公式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3.3.当量绝对组糙度当量绝对组糙度K Kl影响因数管子的使用状况(流体对
5、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对室内热水供暖系统管路 K=0.2mmK=0.2mm对室外热水网路对室外热水网路 K=0.5mmK=0.5mm4.4.热水供暖系统紊流流动判定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根据过渡区范围的判别式和推荐使用的当量绝对粗糙度糙度K K值值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
6、v1=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在室内供暖系统管路内的流动状态l处于过渡区内处于过渡区内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。水在热水网路中的流动状态，大多处于阻力平方区内。5.5.管路热媒流速与流量的关系式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
7、-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、阀门等)的局部阻力系数值，可查附录42。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沿程损失转变为局部损失转变为局部损失来计算。当量长度法当量长度法l当量长度法的基本原理是将管段的局部阻力损失局部阻力损失转变为沿程损失转变为沿程损失来计算。1.1.当量局部阻力法当量局部阻力法( (动压头法动压
8、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/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2.2.当量长度法当量长度法l当量长度法的基本原理是将管段的局部损失折合局部损失折合为管段的沿程损失来计算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
9、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管段中局部阻力的当量长度，m。2.2.当量长度法当量长度法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水力计算三、室内热水供暖系统管路水力计算的主要任务和方法的主要任务和方法l1. G, P1. G, Pd d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l
10、2. 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机械循环提供的作用压力，水在散热器内冷却水在散热器内冷却所产生的作用压力所产生的作用压力和水在循环环路中因管路散因管路散热产生
11、的附加作用压力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比摩阻R R值或流速值值或流速值v v的场合，此时选定的R
12、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；以及热水供暖系统采用所谓“不等温降”水力
13、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，不应大于不应大于15%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循环作用压力。第二节第二节
14、 重力重力 (自然自然) 循环双管供暖系统管循环双管供暖系统管路水力计算方法和例题路水力计算方法和例题l【例例题题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机械循环单管热水供暖系统管路的水力计算方法和例题算方法和例题 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
15、，按Rpj=60120Pa/m选取管径。剩余的资用循环压力，由入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
16、散热器的热负荷。楼层高为3m。 散热器的进流系数散热器的进流系数 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。流流进进散散热热器器的的水水流流量量与与通通过过该该立立管管水水流流量量的比值，称作散热器的进流系数的比值，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
17、比，来确定散热器的即按顺流式两侧的阻力比，来确定散热器的进流系数。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【例题例题4-34-3】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
18、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。5.确定其它立管
19、的管径。根据各立管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42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，求各立管的不平衡率。不平衡率应在 10以内。l 通过同程式系统水力计算例题可见：虽然同程式系统管道金属耗量，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。 在上述的三个例题中，都是采用了立管或散热器的温降相等的预先假定，由此也就 预先确定了立管的流量。这样，通过各立管并联环路的计算压力损失就不可能相等而存在压降不平衡率。这种水力计算方法，通常称为等温降的水力计算方法。在较大的室内热水供暖系统，
20、如采用等温降方法进行异程式系统水力计算，立管间的压降不平衡率往往难以满足要求，必然会出现系统的水平失调。对于同程式系统，如前所述,如在水力计算中一些立管的供、回水干管之间的资用压力很小或为零时，该立管的水流量 很小，甚至出现停滞现象，同样也会出现系统水平失调。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确定其他立管的管径。
21、5. 求各立管的不平衡率。控制在10%以内。不等温降的水力计算原理和方法 不等温降的水力计算，就是在单管系统中各立管的温降各不相等的前提下进行水力计算。它以并联环路节点压力平衡的基本原理进行水力计算。在热水供暖系统的并联环路上，当其中一个并联支路节点压力损失确定后，对另一个并联支路对另一个并联支路(例如对某根立管例如对某根立管)，预，预先给定其管径先给定其管径d(不是预先给定流量不是预先给定流量)，从而确定通过该，从而确定通过该立管的流量以及该立管实际温度降。立管的流量以及该立管实际温度降。这种计算方法对各立管间的流量分配，完全遵守并联环路节点压力平衡的力学规律，能使设计工况与实际工况基本一致
22、。 一、热水管路的阻力数 无论是室外热水网路或室内热水供暖系统，热水管路都是由许多串联和并联管段组成的。热水管路系统中各管段的压力损失和流量分配，取决于各管段的连接方法串联或并联连接，以及各管段的阻力数s值。二、不等温降水力计算方法和步骤 进行室内热水供暖系统不等温降的水力计算时，一般从循环环路的最远立管开始。 1首先任意给定最远立管的温降。一般按设计温降增加2-5。由此求出最远立管的计算流量Gj。根据该立管的流量，选用R或v值，确定最远立管管径和环路末端供、回水干管的管径及相应的压力损失值。 2确定环路最末端的第二根立管的管径。该立管与上、述计算管段为并联管路。根据已知节点的压力损失，给定该
23、立管管径，从而确定通过环路末端的第二根立管的计算流量及其计算温度降。 3按照上述方法，由远至近，依次确定出该环路上供、回水干管各管段的管径及其相应的压力损失以及各立管的管径、计算流量和计算温度降。 4系统中有多个分支循环环路时，按上述方法计算各个分支循环环路。计算得出的各循环环路在节点压力平衡状况下的流量总和，一般都不会等于设计要求的总流量，最后需要根据并联环路流量分配和压降变化的规律，对初步计算出的各循环环略的流量、温降和压降进行调整。整个水力计算才告结束。最后确定各立管散热器所需的面积。4-4、不等温降的水力计算原理和方法、不等温降的水力计算原理和方法l一、室内热水供暖系统管路的阻力数l 无论是室外热水网路或室内热水供暖系统，热水管路都是由许多串联和并联管段组成的。热水管路系统中各管段的压力损失和流量分配，取决于各管段的连接方法串联或并联连接，以及各管段的阻力数s值。（一）串联管路（二）并联管路l二、不等温降的水力计算和步骤l （详见书P86 页）第四章第四章 室内热水供暖系统的水力计算室内热水供暖系统的水力计算
